DE2341391A1

DE2341391A1 - Wirbelschichtreaktor und verfahren zum verarbeiten von gasen und feststoffen

Info

Publication number: DE2341391A1
Application number: DE19732341391
Authority: DE
Inventors: Gerard Chrysostome; Michel Tamalet
Original assignee: Heurtey SA
Current assignee: Heurtey SA
Priority date: 1972-08-29
Filing date: 1973-08-16
Publication date: 1974-03-28
Also published as: JPS4959082A; FR2213094A1; FR2213094B1; LU68316A1; BE802966A; ES418281A1; IT994597B; GB1448874A; CA1003779A; NL7311809A

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dr .-Ing. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte - -4000 Düsseldorf 3D · Cecilienallee 76 · Telefon 43273a

14, August 1973 28 815 K

SOCIETE ANONYlV[E HEURTEY, 30-32 rue Guersant, Paris, Frankreich

"Wirbelschichtreaktor und Verfahren zum Verarbeiten von Gasen und Feststoffen"

Viele industrielle Verfahren basieren auf heterogenen chemischen Reaktionen zwischen Gasen und Feststoffen, bei denen· oft eine verdünnte Suspension der reagierenden Feststoffe in einem Gas geschaffen werden muß. Dies geschieht mit einem Reaktor, in den das Gas und die Feststoffteilchen eingeführt werden, in dem die heterogenen Reaktionen dann während des Transportes der Teilchen im Gas ablaufen, wobei das Gas und die Feststoffteilchen am Ausgang des Reaktors in einem Zyklon oder Staubfänger voneinander getrennt werden und die Feststoffteilchen repetiert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor für die Behandlung von flüssigen oder gasförmigen Medien und von Feststoffen zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem geschlossenen und länglichen Vertikalbehälter, der in zwei Zonen unterteilt ist, und zwar in eine Zone im unteren Teil des Reaktors aus einem Bett chemisch aktiver Feststoffteilchen, aus dem dann eine Wirbelschicht entsteht, und einer oberen Zone direkt über der ersten Zone zur Aufnahme der fluidisierten chemisch aktiven Teilchen in einer verdünnten Phase,

Der Reaktor besitzt oben noch Ausgänge für das Gas und für

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sn

die Feststoffteilchen. Der Einlaß für das Gas und die •Feststoffteilchen befindet sich jeweils etwas unterhalb der Oberfläche der Wirbelschicht. Des weiteren besitzt der Reaktor einen weiteren Einlaß für ein zweites Gas in der Höhe der Wirbelschicht. Der Reaktor besitzt schließlich im oberen Teil eine Vorrichtung zum Trennen von Gas und Feststoffteilchen. Darüber hinaus ist der Reaktor mit Leitungssystemen zum Rückführen der im oberen Teil des Reaktors vom Gas getrennten Teilchen in die Wirbelschicht im unteren Teil des Reaktors versehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Schaffung einer dichten Wirbelschicht in das Bett aus chemisch aktiven Teilchen ein Primärgas sowie durch einen zweiten Einlaß ein Sekundärgas zugeführt, das gleich dem Primärgas sein kann. Schließlich werden für den Übergang der Feststoffteilchen in die obere Zone der Wirbelschicht chemisch aktive Teilchen zugeführt, um einen Füllstand einzuhalten, bei dem durch das über den zweiten Einlaß zuströmende Sekundärgas eine genügend große Menge mitgenommen wird und in der oberen Zone des Reaktors die erforderliche Dichte zu erreichen.

Die Erfindung wird nachstehend nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Reaktors mit einer dichten und einer verdünnten Phase,

Fig. 2 die schematische Darstellung eines Reaktors mit zwei verschiedenen Atmosphären,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch die im oberen Teil des Reaktors befindliche Vorrichtung zum Trennen des Gases und der Feststoffteilchen,

Fig. 4 einen Querschnitt durch den oberen Teil des Reak-

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tors mit schräg angeordneten Austrittsdüsen,

Fig;. 5 einen Schnitt durch einen Vergas_£ungs- und Entschwefelungsreaktor für Kohlenwasserstoffe.

Bei dem dargestellten Reaktor zum Durchführen von Reaktionen zwischen einem Gas und einem pulverförmigen Feststoff handelt es sich um einen Behälter mit zwei deutlich voneinander getrennten Zonen, und zwar eine Zone im unteren Teil des Reaktors mit einer dichten Wirbelschicht aus chemisch aktiven Teilchen sowie einer anderen Zone dicht über der unteren Zone aus einer verdünnten Wirbelschicht, in der die heterogenen Reaktionen zwischen dem Gas und den Feststoffen während deren Aufwärtsbewegung ablaufen. Dabei werden durch das Gas die Feststoffteilchen aus dem dichten Bett aus der dichten Wirbelschicht mitgerissen. Unter einer verdünnten Phase ist eine Wirbelschicht zu verstehen, in der der Feststoff weniger als 2% des Volumens einnimmt.

Die beiden aufgrund der Teilchenkonzentration unterschiedenen Zonen können aber auch im Hinblick auf ihre jeweilige Atmosphäre unterschieden sein. So kann beispielsweise, wenn die chemische Reaktion in einer Verbrennung besteht, die untere Zone der dichten Wirbelschicht eine oxydierende und demgegenüber die obere Zone mit der geringeren Dichte eine reduzierende Atmosphäre besitzen.

Der Reaktor mit den beiden voneinander getrennten Zonen kann mit herkömmlichen Vorrichtungen zum Trennen des Gases und der Feststoffteilchen verbunden sein. Dem Reaktor kann aber auch eine Vorrichtung nachgeordnet sein, die ein Trennen von Gas und Feststoffteilchen ermöglicht, die gesammelt und dann über eine Leitung im feuerfesten Futter der "Wandung oder außerhalb der Wandung in den unteren Teil des Reaktors repetiert werden.

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Im untersten Teil des Reaktors 1 befindet sich eine Verteilerplatte 2, die die durch ein Gas 4 fluidisierten Feststoffteilchen 3 trägt. Der Reaktor 1 weist eine Ringleitung

5 für das Zuführen eines Sekundärgases auf, die eine Verteilung des Sekundärgases über die gesamte Peripherie des Reaktors vermittels Düsen 6 ermöglicht. Über einen Einlaß 7 werden kontinuierlich Feststoffteilchen in die Wirbelschicht 3 eingespeist, wobei die Oberfläche der Wirbelschicht 3 ansteigt und die Teilchen durch das Sekundärgas mitgerissen werden. Der Füllstand der Wirbelschicht 3 stabilisiert sich in einer Höhe, bei der die Menge der von dem über die Düsen 6 zuströmenden Sekundärgas mitgerissenen Teilchen gleich der über den Einlaß 7 zugeführten Teilchen ist. Demzufolge ist die Menge der von dem über die Düsen 6 zuströmenden Sekundärgas mitgerissenen Teilchen eine Funktion der Teilchenmenge, die der Wirbelschicht über den Einlaß 7 zugeführt wird.

In bestimmten Fällen kann eine Vorbehandlung der Partikel erforderlich sein, noch bevor diese mit dem über die Düsen

6 zugeführten Sekundärgas reagieren. Ein erfindungsgemäßer Reaktor eignet sich sehr gut für die Durchführung einer Vorbehandlung in der Wirbelschicht 3. So können die Gasphasen und Temperaturen in der unteren und der oberen Zone unterschiedlich sein. Soll eine wesentliche Temperaturdifferenz eingestellt werden, dann lassen sich die Wärmemengen, die der dichten Phase und der verdünnten Phase zugeführt werden, in sehr unterschiedlicher Weise einstellen. Weil der Wärmeübergang zwischen Gas und Teilchen sehr schnell erfolgt und die Menge des über die Düsen 6 zuströmenden Sekundärgases gegenüber dem über die Leitung 4 zuströmenden Primärgases sehr groß ist, passieren die Partikel während ihres Aufsteigens in die Zone der verdünnten Phase sehr schnell die Temperatur der dichten Phase, um schließlich die Temperatur der verdünnten Zone anzunehmen.

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Sollen verschiedene Atmosphären eingestellt werden, beispielsweise in der Wirbelschicht 3 eine oxydierende Atmosphäre und in der verdünnten Phase 8 eine reduzierende Atmosphäre, und zwar im Wege einer Verbrennung, dann genügt es, in jeder Zone das Verhältnis Luft/Brennstoff unterschiedlich einzustellen, was durch einen unterschiedlichen Zufluß über die Leitung 4 und die Düsen 6 möglich ist. In Fig. 2 sind die Zuführungen für die Brennstoffe mit 9 und 10 gekennzeichnet«,

Fig. 3 und 4 zeigen eine Vorrichtung zum Trennen von Gas und Feststoffteilchen, die einem Reaktor zugeordnet ist.

Nach dem Ablaufen der heterogenen chemischen Reaktionen können die Feststoffteilchen in herkömmlichen Vorrichtungen, beispielsweise in einem Zyklonabscheider, vom Gas getrennt werden.

Um ein leichtes Trennen zu ermöglichen, ist dem Reaktor eine Trennzentrifuge nachgeordnet, die den Vorteil hat, daß sie ein integrierender Bestandteil des Reaktors ist.

Der Reaktor 1 besitzt eine feuerfeste Kuppel 11 mit den öffnungen 12, die derart ausgerichtet sind, daß sie dem Gas und den Feststoffteilchen aus der verdünnten Zone 8 einen Drehimpuls erteilen. Die Horizontalkomponente der die Zone 8 verlassenden Suspension aus Gas und Feststoffteilchen ist um so größer, je kleiner der Winkel der Öffnungen 12 zur Horizontalen ist, so daß die jeweilige Zentrifugalkraft von diesem Winkel abhängig ist. Von den Öffnungen 12 wird die Suspension in eine aufsteigende Rotationsbewegung versetzt, bei der"sich wegen deren größerer Trägheit die Teilchen weiter von der Rotationsachse entfernen als das Gas und daher abscheiden. Das auf diese Weise teilchenfreie Gas kann dann über die Leitung 13 entwei-

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chen. Die abgeschiedenen Teilchen werden an der Wandung gesammelt, von wo aus sie unter dem Einfluß der Schwerkraft in den Ringraum 15 gelangen, aus dem sie abgezogen werden können.

Für den Fall, daß die im Ringraum 15 gesammelten Teilchen repetiert werden sollen, kann dies durch Kanäle 16 geschehen, die in der feuerfesten Wandung des Reaktors liegen,, Die im Ringraum 15 gesammelten Teilchen gelangen kontinuierlich in die Kanäle 16. Die Kanäle können je nach Anwendungsfall in die verdünnte Zone oder in die Wirbelschicht eingespeist werden. Das Verhältnis, in dem die Teilchen repetiert werden, ist ein wichtiger Parameter, der eine Verbesserung des Übergangs der Suspension und der Homogenität der Temperatur in der verdünnten Phase ermöglicht. Der Anteil der repetierten Teilchen wird dadurch eingestellt, daß im Reaktor entweder der Zustrom von Teilchen über den Einlaß 7 oder aber der Austrag der Zone 8 geregelt wird.

Was die im Reaktor befindlichen Teilchen betrifft, so werden diese gerade repetiert oder befinden sich fluidisiert im unteren Teil des Reaktors. Die untere Zone besitzt ein konstantes Fassungsvermögen, weil ihre Oberfläche nicht über das Eintrittsniveau des Sekundärgases hinausgehen kann. Damit aber wird durch Einstellen der im Reaktor enthaltenen Gesamtmenge des Feststoffs in einzigartiger Weise auch der Anteil der Teilchen im Rücklauf eingestellt.

Andererseits aber ist der Streuverlust in der verdünnten Phase proportional dem Gewicht der in dieser Zone des Reaktors in Suspension befindlichen Teilchen, damit aber auch dem Anteil der zirkulierenden Teilchen. Der Anteil der re-.petierten Teilchen wird bei konstantem Zustrom durch Veränderung der Austragmenge geregelt oder umgekehrt, und zwar

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derart, daß der Streuverlust im Reaktor und in der oberen Zone auf einen bestimmten Wert gebracht wird.

Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft das Vergasen und Entschwefeln von Brennstoffen oder Heizölen, das in der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung erfolgen kann.

Die Vorrichtung besteht aus einem Reaktor mit einer dichten unteren Phase und mit einer verdünnten oberen Phase sowie zwei verschiedenen Atmosphären und einer Vorrichtung zum Trennen der Suspensionsphasen sowie zum Repetieren der Teilchen.

Das Vergasen erfolgt in der unteren Zone in reduzierender Atmosphäre durch unvollständiges Verbrennen des durch die Leitung 9 zugeführten Brennstoffs mit einem geringen Anteil stoichiometrischer Luft von 15 bis 40%, die über die Düsen 6 zugeführt wird. Mit "stoichiometrischer Luft" ist die für eine stoichiometrische Verbrennung erforderliche Luftmenge gemeint. Das gleichzeitig mit dem Vergasen erfolgende Entschwefeln wird mittels Teilchen aus Kalziumkarbonat oder Dolomit durchgeführt, die durch das Schwefel in der Form von CaS enthaltende Gas mitgerissen werden. In der oberen Zone wird die Temperatur dadurch geregelt, daß das Verhältnis Luft/Brennstoff derart eingestellt wird, -daß die Vergasungsreaktion entweder endotherm oder exotherm abläuft. Diese Temperatur kann 700 bis 95O°C betragen und so gewählt sein, daß sich das zum Abbinden des Schwefels als Kalziumsulfid nicht erforderliche Kalziumkarbonat zu Kalziumoxyd umsetzt.

Die Höhe der verdünnten Zone wird so gewählt, daß die Kontaktzeit zwischen Teilchen und Gasphase für die gewünschte Entschwefelung ausreicht. Die Geschwindigkeit des heißen

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Gases in der oberen Zone ist sehr hoch und beträgt beispielsweise 15 m/sek. Die mit Schwefel angereicherten Teilchen werden vom Gas vermittels der vorerwähnten Vorrichtung getrennt, woraufhin das Gas seiner Verwendung zugeführt wird. Die aus dem Gas entfernten Teilchen werden über die Kanäle 16 repetiert. Die Wirbelschicht 3 besitzt somit eine Temperatur die entweder der Temperatur der verdünnten Zone entspricht oder dieser Temperatur angenähert ist. Dabei wird auch der Kohlenstoff entfernt, der sich beim Vergasen bildet.

Der Kohlenstoff wird mit über die Leitung 4 zugeführter Luft verbrannt, wobei die Luftmenge derart festgelegt wird, daß die Verbrennung mii: Luftunterschuß erfolgt, um zu verhindern, daß sich das Kalziumsulfid zu Sulfat umsetzt. Auch in diesem Falle liegt die Temperatur der Wirbelschicht bei 700 bis 950⁰C und nimmt damit einen Wert an, bei dem sich entsprechend den Anforderungen Kalziumoxyd bildet oder nicht. Der Brennstoff kann auch über die Leitung 10 zugeführt werden, wenn die Menge des von den Teilchen zurückgehaltenen Kohlenstoffs sehr klein ist und die Menge der zugeführten Luft ein Fluidisieren nicht zuläßt. Bei Jedem Durchgang nehmen die Teilchen immer mehr Schwefel auf, so daß Vorkehrungen für das Zuführen neuer Teilchen über den Einlaß 7 getroffen werden müssen, desgleichen auch ein Abziehen der Teilchen über einen Austrag 17 zum Regenerieren der Teilchen.

Der Bedarf an Vergasungsreaktoren mit einer verdünnten Phase und einer Wirbelschicht liegt auf der Hand, wenn man beispielsweise eine thermische Leistung von 700 MW bei Verwendung von 155/h schweren Heizöl Nr₀ 2, das mit 2596 Luft vergast wird, zugrundelegt.

Ein solcher Vergasungsreaktor muß mit einem Fließbett aus Teilchen mit einer Größe von 2 bis 3 mm arbeiten, um eine

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Fluidatgeschwindigkeit von mehreren m/sek. zu erreichen_o Bei einer Geschwindigkeit von 3 m/sek beträgt die Oberflä-

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ehe der Wirbelschicht 15Om.

Demgegenüber kann der Vergasungsreaktor mit einer verdünnten Phase mit einer Geschwindigkeit von 15 m/sek arbeiten,

ρ
was einer Oberfläche von 30 m entspricht. Darüber hinaus können die verwendeten Teilchen auch sehr klein sein (100/um), was für das Festhalten des Schwefels besser ist.

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Claims

SOCIETE ANONYME HEURTEY, 30-32 rue Guersant, Paris, Frankreich

Patentansprüche;

1. Reaktor zum Verarbeiten von flüssigen oder gasförmigen Medien und Feststoffen, gekennzeichnet durch einen geschlossenen, länglichen Behälter (1) mit einer unteren dichten Zone im unteren Teil des Reaktors aus einer Wirbelschicht (3) chemisch aktiver Teilchen und einer oberen verdünnten Zone (8) direkt über der unteren Zone (3), AustrittsÖffnungen (12) für das Gas und die Feststoffteilchen, je einen Einlaß (4, 7) für das Gas und die Teilchen unter der Oberfläche der Wirbelschicht (3) sowie eine Ringleitung (5) mit Düsen (6) für ein Sekundärgas oberhalb der Wirbelschicht (3).

2. Reaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (13, 14, 15) zum Trennen von Gas und Feststoffteilchen.

3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Kanäle (16) zwischen der Trennvorrichtung (13, 14, 15) im oberen Teil und der Wirbelschicht (3) im unteren Teil.

4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (16) im feuerfesten Futter liegen.

5. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Einlaß (6, 9) für ein flüssiges gasförmiges Medium über dem Niveau der Wirbelschicht (3)<>

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Reaktor nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen horizontalen oder vertikalen Einlaß (6, 9).

7. Verfahren zum Betrieb des Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Primärgas in eine Schicht aus chemisch aktiven Teilchen eingeführt, eine dichte Wirbelschicht erzeugt und ein Sekundärgas durch einen zweiten Einlaß oberhalb der Wirbelschicht zugeführt sowie in die Wirbelschicht Teilchen in einer Menge eingespeist werden, daß Teilchen von dem über den zweiten Einlaß zuströmenden Sekundärgas mitgerissen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die im oberen Teil des Reaktors abgezogenen Teilchen mindestens teilweise in die Wirbelschicht zurückgeführt werden und die Menge der zurückgeführten Teilchen über die Gesamtmenge der zirkulierenden Teilchen eingestellt wird,

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, .dadurch g e kennze ichnet , daß die Änderung in der Gesamtmenge der zirkulierenden Teilchen durch den Verlust entsprechend dem Chargengewicht in der oberen Zone gesteuert wird.

10„ Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenwasserstoffe entschwefelt und in der oberen Zone vergast sowie der sich bildende Kohlenstoff in der unteren Zone verbrannt wird.

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