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Vorrichtung zur direkten Beheizung von Wirbelschichtreaktoren Es
ist bekannt, Wirbelschichtreaktoren, in denen z. B. endotherme R@-aktionen ausgefüllt
werden sollen, durch Verbrennen von gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen
mit dem Sauerstoffgehalt des Trägergases innerhalb der Wirbelschicht zu beheizen.
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Nach älteren bekannten Methoden wird das die Wirbelschicht bildende
körnige Material von dem durch den Wirbelrost eingeleiteten sauerstoffhaltigen Trägergas
im Wirbelzustand gehalten, während ein vorzugsweise gasförmiger oder flüssiger Brennstoff
mittels durch die Reaktorwand eingeführter Lanzen oder durch den Wirbelrost eingefüllrter
Düsen in die Wirbelschicht eingeleitet wird. Dabei ist die Vermischung von Brennstoff
und Trägergas meist unzureichend, so daß die Verbrennung erstim oberen Bereich der
Wirbelschicht richtig in Gang kommt und zuln Teil außerhalb derselben in dem darüberliegenden
Gasraum beendet wird.
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Demgemäß ist der Abwärmeverlust groß und der thermische Wirkungsgrad
ist gering. Dieser Mangel läßt sich durch eine Vergrößerung der Wirbelschichthöhe
mildern oder ganz behebeii. Dafür sind aber beträchtliche Vordrücke des Trägergases
und des Brennstoffes in Kauf zunell.
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men. Neuere Methoden zur direkten Beheizung einer Wirbelschicht verwenden
zweikanalige, von zwei konzentrischen Rohren gebildete l)iisenstocks, die einerseits
durch Verteilerköpfe in der Wirbelschicht und andererseits in unter dem Wirbelrost
liegenden Sammelleitungen für sauerstoffhaltiges
Trägergas bzw.
Brennstoff münden. Solche aus Düsenstöcken und Verteilerköpfen bestehenden Zuführungseinrichtungen
kön nen in beliebiger Anzahl zweckmäßig iu gleichen Abständen über dem Reaktorboden
oder Wirbelrost verteilt werden.
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Die Verteilerköpfe können so gestaltet werden, daß die Vermischung
von sauerstoffhaltigem Träger gas und Brennstoff noch innerhalb des Verteilerkopfes
in einer Mischkammer oder unmittelbar hinter den Austrittsöffnungen, also schon
in der Wirbelscllicht erfolgt.
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Aus der DAS 1 758 244 ist eine solche Vorrichtung zur gleichmäßigen
dosierten Zufuhr von Brennstoff und Luft in eine Wirbelschicht bekannt, bei der
aus dem Verteilerkopf mindestens dei Luftstrom oder aber das Luft-Brennstoff-Gemisch
aus ein er Öffnung vertikal in die Wirbelschicht einströmt. Andere bekannte Bauarten
messen der Möglichkeit, daß feinkörniges Wirbelgut in die Austrittsöffnungen am
Verteilerkopf eindrin gen kann, größere Bedeutung bei und haben deshalb Verteiierköfpe
mit seitlichen, horizontalen oder in Strömungsrichtung abwärts gerichtete Ausströmöffnungen.
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In der DOS 1 813 286 ist eine Gaszuführung mit Verteilerkopf zur Eine
leitung eines Brenngases und eines sauerstoffhaltigen Trägergases in eine Wirbelschicht
beschrieben, bei dem der Verteilerkörper zwei über einanderliegende Reihen radialer
Austrittsöffnungen aufweist, von denen eine Reihe über einen Sammelraum durch das
innere Rohr des Düsenstockes mit der Brenngashauptleitung verbunden ist, während
die andere Reihe durch das äußere Rohr des Düsenstockes mit der Trägergaszuleitung
in Verbindung steht. Um zu vermeiden, daß sich in Verteilerkopf ein zündfähiges
Gemisch aus Brenngas und sauerstoffhaltigem Trägergas bilden kann, werden die beiden
Gasstrahlen, die mit hoher Geschwindigkeit aus den Öffnungen im Verteilerkopf austreteu,
erst außerhalb
des Verteilerkopfes zusammengeführt und zur Vermischung
und Zündung gebracht. Aus der DOS 1 906 895 ist eine Vorrichtung zur direkten Beheizung
von Wirbelschichtreaktoren mittels flüssiger Brenn--stoffe bekannt, in welcher die
den Düsenstock bildenden konzentrischen Rohre im Verteilerkopf vor den Ausströmöffnungen
zur Wirbelschicht in einem Mischraum münden. Dabei vermischt sich das sauerstoffhaltige
Träger gas mit flüssigem Brennstoff, der unmittelbar vor Eintritt in die Wirbelschicht
zerstäubt wird und führt diesen mit sich, so daß ein Gemisch von Trägergas und Brennstoff
in die Wirbelschicht eintritt. Bei dieser Ausführungsform ist unvermeidlich, daß
der Nebel des zerstäubten Brennstoffes in dem Mischraum auch mit dessen Innenwand
in Berührung kommt. Je nach der Temperatur, welche die in die Wirbelschicht ragenden
Verteilerköpfe annelirnen, wird sich auch an der Mischkammer wand eine bestimmte,
ziemlich gleichbleibende Temperatur einstellen.
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Wenn diese unterhalb der Temperatur liegt, bei der in dem zerstäubten
flüssigen Brennstoff thermische Zersetzungsreaktionen beginnen, dann können die
bekannten Vorrichtungen einwandfrei und ohne Störungen betrieben werden. Wenn jedoch
die Temperatur der Mischkammer so hoch wird, daß in auftreffenden Brennstofftröpfchen
thermische Zersetzungen eintreten, dann bilden sich koksartige Ansäze von Crackruckständen,
die schließlich bis in die Austrittsöffnungen der Vertei3 erköpfe fortschreiten
und diese schließlich verstopfen. Die Folge ist, daß der Vordruck des Trägergases
im Düsenstock und in der Sammelleitng fortschreitend er-.
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höht werden muß, um die zur Aufrechterhaltung des Wirbelzustandes
und der Verbrennung notwendige Menge des sauerstoffhaltigen Trägergases in die Wirbelschicht
einzubringen. Wenn die maximal zulässige Förderhöhe des Gebläses erreicht ist, muß
der Betrieb unterbrochen werden, um den Reaktor zu reinigen. Es hat sich gezeigt,
daß die Gefahr der Bildung on festen Crackrückständen bei einer gegebenen thermischen
Belastung der Verteilerköpfe und damit auch gegebener Temperatur der M ischkammerwand
um so größer ist, je höher der Siedebereich des eingesetzten
Brennstoffes
liegt. Niedrig siedende Kohlenwasserstoffe etv;a vom Siedebereich eines extra leichten
IIeizöls, werden beim Auftreffen auf die heiße Mischkammerwand z-um Teil verdampfen
und dadurch die Wandfläche so stark abkühlen, daß die Zersetzungstemperatur des
eingesetzten Ilei zöls unterschritten wird. Bei I-(ohlenwas s erstofge:nischen höherer
Siedebereiche, in denen der verdampfbare Anteil geringer wird, geht dieser Kühleffekt
immer weiter zurück, so daß es bei Verwendung von schwereren Heizölen zur Ablagerung
von Krackrückständen auf der Mischkammerwand kommen kann und in praktischen Anwendungsfällen
auch kommt. Als Heizmaterial für teclmische Prozesse werden schwere Heizöle, Rückstandsöle
und dergleichen wegen ihres vergleichsweise ge ringen Preises bevorzugt.
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Es wurde gefunden, daß diese Heizölqualitäten zur Dfrektbeheizung
von Wirbelsehichten hera.ngezogen und nach feiner Verteilung durch Vermischen mit
dem sauorstoffhaltigen Trägergas in der Wirbelschicht verbrannt werden können, wenn
die Verteilerköpfe der bekannten Vorricntungen derart ausgestaltet werden, daß jedem
Teilstrom des sauerstoffhaltigen Trägergases unmittelbar nach Eintritt in die Wirbelschicht
der flüssige Brennstoff fein versprüht zugemischt wird.
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Dabei tritt der flüssige Brennstoff seitlich aus den Verteilerköpfen
in die Wirbelschicht ein, nachdem er in bekannten Zerstäubungsdüsen mit tels Druck
oder einem Hilfsmedium, z. B. Druckgas oder Wasserdampf, fein versprüht worden ist.
Die Symmetrieachse des Sprühkegels ist horizontal ausgerichtet, und eine vor der
Zerstäuberdüse im Verteilerkopf angeordnete Austrittsöffnung ist so bemessen und
angeordnet, daß kein Sprüh an die Innenwand des Verteilerkopfes gelangen kann. Damit
sind Anbackungen von Crackrückständen von vornherein vermieden. Durch diese Austrittsöffnung
gelangt auch das im äußeren Rohr des Düsenstocks anströmende sauerstoffhaltige Träger
gas in die Wirbelschicht, wobei es
den aus der Zerstäubungsdüse
austretenden Sprühstrahl umgibt und sich mit diesem vermischt.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur direkten Beheizung
eines Wirbelschichtreaktors mittels flüssiger, insbesondere hochsiedender Brennstoffe
mit zweikanaligen, von zwei konzentrischen Rohre gebildeten, über den Reaktorquerschnitt
gleichmäßig verteilten Zufül rungen, die einerseits durch Verteilerköpfe in der
r Wirbelschicht und andererseits in unter dein Wirbelrost liegenden Sammelleitungen
fi.ir sauerstoffhaltiges Trägergas und für flüssigen Brennstoff münden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der
flüssige Brennstoff aus dem inneren konzentrischen Rohr mittels mindestens einer
horizontal gerichteten Zerstäuberdüse durch mindestens eine seitliche Öffnung in
dem auf dem äußeren konzentrischen Rohr befestigten Verteilerkopf gemeinsam mit
dem im äußeren konzentrischen Rohr anströmenden sauerstoffhaltigen Träger gas in
die Wirbelschicht eingeführt wird.
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Auf dem inneren konzentrischen PLohr des Düsenstocks können mehrere
horizontal gerichtete Zerstäuberdüsen vor zugehörigen Öffnungen im Verteilerkopf
angeordnet werden.
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Das sauerstoffhaltige Trägergas kann insgesamt durch die den Zerstäuberdüsen
zugeordneten Austrittsöffnungen im Verteilerkopf i.n die Wirbelschicht eingeführt
werden. Um diese Austrittsöffnungen können jedoch auch Bohrungen angebracht werden
durch die ein Teil des sauerstoffhaltigen Trägergases ausströmt und den Brennstoffstrahl
in weiterem TTmfang umgibt. Das gilt insbesondere für eine spezielle Ausführungsform
der Erfindung, bei welcher als Zerstäuberdüse eine horizontal verteilende Fächerdüse
gewählt wird und die Austrittsöffnung im Verteilerkpof
als horizontaler
Schlitz ausgebildet ist. Die zusätzlichen Aus ströinöfffiungen können dann unterhalb
und bzw. oberhalb dieses Schlitzes als horizontal oder zur Achse oder Ebene des
Brennstoffstrahls hin geneigte Bohrungen angebracht werden.
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Bei ausreichendem Impuls der Gas- und Flüssigkeitsstrahlen bildet
sicli unmittelbar nach ihrem Austritt aus dem Verteilerkopf in der Wirbelschicht
eine Zone intensiver Durchmischung, in der die gewünschte straffe Verbrennung rasch
einsetz.
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Wenn bei Stillsetzung der Anlage das Wirbelgut aus dem Reaktor vollständig
entleert wird, dann kann der Trägergasstrom bis zur völligen Entleerung in Gang
gehalten werden. Die Gefahr, daß Wirbelgut durch die Austrittsöffnungen im Verteilerkpof
in den das Trägergas führenden Ringraum zwischen den beiden konzentrischen Rohren
fällt, besteht dann nicht.
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Wenn jedoch bei Unterbrechung des Reaktorbetriebes das Wirbelgut teilweise
oder ganz im Reaktor verbieibt, dann kann nach Abschalten des Trägergasstromes Wirbelgut
durch die Austrittsöffnungen im Verteilerkopf in den Ringraum der Trägergaszuführung
rieseln und auch an die Meldung der Zerstäuberdüse gelangen.
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Das läßt sich durch eine besondere Ausgestaltung des Verteilerkopfes
verhindern. Hierzu wird der Innenraum des Verteilerkopfes als exzentrische Bohrung
gesetzt, und die Austrittsöffnung wird im Bereich der größten Wandstärke angebracht.
Diese größte Wandstärke ist so bemessen, daß die sich bildende Böschung des ruhenden
Wirbelgutes auf der Sohle der Austrittsöffnung voll abstützen kann.
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Bei Betriebsunterbrechungen ist es allgemein, also bei Entleerung
wie
bei Belassung des Wirbelgutes inl Reaktor zweckmäßig, zunachst
die Brennstoffzufuhr durch Einleiten eines Gases oder von Wasserdampf zu ersetzen,
um die Zerstäuberdüse frei zu halten und erst dann mit den weiteren Stille gungsmaßnabm
en zu beginnen.
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In den Figuren sind zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beispielsweise und schematisch dargestellt; Fig. 1 ist ein vertikaler Schnitt durch
eine erfindungsgemäße Zuführungseinrichtung, in dem ausscimittsweise Teile des Reaktor
bodens und der darunterliegenden Sammelleitungen für Trägergas und Brennstoff sichtbar
sind.
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Fig. 2 ist ein vertikaler Schnitt; durch eine andere Ausführungsform
mit exzentrischem Innenraum des Verteilerkopfes.
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Fig. 3 ist ein Schnitt durch-Fig. 2 entlang der Linie A-B in Draufsieht.
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Fig. 4 ist eine Seitenansicht zu Fig. 2 mit schlitzförmig ausgebildeter
Austrittsöffnung zur Verwendung einer Fächerdüse.
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Die Zuführungsvorrichtung gemäß Fig. 1 besteht aus dem äußeren Rohr
1, an dessen oberen Ende der Verteilerkopf 2 mittels- gasdichter Schweißnaht gehalten
wird, und dem Innenrohr 3, an dem oben seitlich die Ö1-druckdüse 4 eingeschraubt
ist. Das äußere Rohr 1 mündet unten in die Windkammer 5, wobei es zweckmäßigerweise
mittels Schweißverbindung vom Rostboden 6 gehalten wird. Das konzentrisch im Außenrohr
1 angeordnete innere Rohr 3 steht mit der Brennstoffsammelleitung 7 in Verbindung.
Um das Innenrohr leicht ein- und ausbauen zu können, wird es zweckmäßigerweise mittels
abschraubbarer Flanschverbindung 8 am Windkamm erboden 9 gehalten.
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Die Verbindung zur Brennstoffsarnmelleitung 7 erfolgt durch die leicht
lösbare Schlauch- bzw. Rohrverbindung 10. Der am Innenrohr 3 angeschweißte Pührungsring
11 dient der Zentrierung im Verteilerkopf 2.
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Der als Voll- oder als Hohlkegel durch die Öldruckdüse 4 versprühte
flüssige Brennstoff gelangt durch die im Verteilerkopf 2 angebrachte zylindrische
Öffnung 12 in die zu beheizende Wirbelschicht. Das von der Windkammer 5 kommendc
sauerstofflialtige Trägerga.s strömt über den Innenquerschnitt des äußeren Rohres
1 in den Verteilerkopf 2 und von dort ebenfalls durch die Öffnung 12 in die Wirbelschicht.
Der mit hoher Geschwindigkeit austretende Gas stahl durchschlägt den aus flüssigem
Brennstoff gebildeten Sprühkegel und bewirkt hierdurch die erlTrunschte intensive
Vermis ehun g.
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Die gemäß Fig. 1 beschriebene Zuführungsvorrichtung ist vorzugsweise
dann einzusetzen, wenn bei Stillsetzung der Anlage das Wirbelgut über gesonderte
Abzugsvorrichtungen vollständig aus dem Reaktor abgezogen wird. Bleibt jedoch das
Wirbelgut vollständig oder zum Teil im Reaktor, so würde bei Abstellen des Trägergaszustroms
Wirbel gut durch die Öff-.
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nung 12 in die Windkammer rieseln.
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In solchen Fällen ist es zweckmäßig, die Zuführungsvorrichtung gemäß
Fig. 2 zu-verwenden. Sie unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform
nur im Bereich des Verteilerkopfes, so daß sich Fig. 2 und Beschreibung auf diesen
Teil beschränken können.
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Der Verteilerkopf 13 enthält eine exzentrische Innenbohrung, so daß
die Wandstärke auf der Seite der Austrittsöffnungen besonders groß ist. Die Aust@@ttsöffnungen
bestehen aus dem Langloch 15 sowie darunter und darüber angebrachtenBohrungen 16.
Wandstärke und Höhe des Langloches 15 sowie Weite der Bohrungen 16 sind so bemessen,
daß bei Stil3-stand Kein Wirbelgut in den Verteilerkopf rieseln kann; die sich bildende
Böschung aus körnigem Wirbelgut wird in den Öffnungen voll abgestützt.
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Der flüssige Brennstoff wird mit einer an sich bekannten Fächerdüse
14 durch das Langloch 15 in die Wirbelschicht gesprüht. Der Fächer ist so zu bemessen,
daß zur Vermeidung von Crackr@ckständen kein Sprüh an die Innenwandung des Langloches
gelangen kann. Das sauerctoffhaltige Trägergas strömt in Teilstrahlen durch das
Langloch 15 und durch die Bohrungen 16 in den Wirbelreaktor ein. Zur Intensivierung
der Vermischung mit dem Brennstoffstrahl sind die über dem Langloch angebrachten
Bohrungen in Längsrichtung um etwa 150 gegen die Horizontale schräg nach unten geneigt.
Eine entsprechende Anschrägung der unter dem Langloch befindlichen Bohrungen erübrigt
sich, weil das einströmende Trägergas nach Abbremsung durch die Wirbelschicht zwangsläufig
nach oben in den Verbrennungsraum gelangt und sich dort mi.t dem Brennstoff vermischt.
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Beide Ausführungsformen können so abgewandelt werden, daß im Verteilerkopf
zwei oder mehrere Öldüsen sternförmig angebracht sind mit den dazugehörigen am Umfang
des Verteilerkopfes verteilten, runden oder schlitzförmigen Austrittsöffnungen Beispiel
An einem Versuchsreaktor mit dem Durchmesser von 0, 5 m> dessen Düsenrost mit
zwei Verteilungsköpfen ausgerüstet war, wurden vergleichende Verbrennungsversuehe
in der Wirbelschicht durchgeführt. Das Wirbelgut war Eisenoxid der Körnung 0,1 bis
1 mm, das sauerstoffhaltige Trägergas war Luft. Die Sehichthöhe des ruhenden Wirbelgutes
betrug 0, 45 m. Dem Reaktor wurden stündlich 18 kg Heizöl und 280 Nm³ Luft zugeführt.
Es wurden nacheinander folgende drei Versuche durchgeführt: Beim Versuch 1 wurde
das Brennstoff/Luft- Gemisch in Verteilerköpfen gemäß DOS 1 906 895 vorgemischt,
wobei das Gemisch
durch. einen Ringsciilitz radial nach allen Seiten
hin in die Wirbel schicht strönlte.
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Im Versuch 2 wurde die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Fig. 1 und
im Versuch 3 die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Fig. 2 eingesetzt.
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Bei Verbrennung von extra leichtem Ileizöl zeigte sich überraschenderweise,
daß der Wirbelzustand und die Verbrennung in den Versuchen 2 und 3 genau so gut
war, wie bei Versuch 1, obwohl erfindungsgemäß die Vermischung des Brennstoffs mit
der Luft erst außerhalb der Verteilerköpfe erfolgt; und obwolil Luft und Brennstoff
einseitig und nicht radial verteilt aus den Verteilerköpfen in die Wirbelschicht
gelangen.
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Nach Umschaltung auf schweres Heizöl mußte der Versuch 1 nach zwei
Stunden abgebrochen werden. In dieser Zcit stieg der Druck in der Windkammer bei
ungeändertem Luftmengenstrom von 1400 auf 2100 mm WSÜ.
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Nach Kaltblasen des Reaktors konnte der Rost abgebaut werden. Eine
Besichtigung ergab, daß die Austritt;söffnungen der Verteilerköpfe zum größten Teil
mit Crackrückständen zugesetzt waren. In den Versuchen 2 und 3. wurde für 20 bzw.
44 Stunden auf Schwerölbetrieb umgeschaltet.
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Es ergab sich jeweils einwandfreier Versuchsbetrieb ohne Änderung
des Druckes in der Windkammer.
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PATEN'L'ANSPRÜCIIE