DE2448354B2 - Wirbelschichtreaktor zur Erzeugung von Dampf, brennbaren Gasen und flüssigen Nebenprodukten aus Kohle - Google Patents

Wirbelschichtreaktor zur Erzeugung von Dampf, brennbaren Gasen und flüssigen Nebenprodukten aus Kohle

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Description

Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtreaktor mit zwei oder mehr abgetrennten Kammern zur Erzeugung von hochgespanntem Dampf, brennbaren Gasen und flüssigen Nebenprodukten aus feinkörniger Kohle, bestehend aus einer Entgasungszone, in der Kohle mit stickstoff- und sauerstoffarmen Gasen aufgewirbelt so wird, und einer Verbrennungszone, in der Kohle durch Aufwirbelung mit Luft verbrannt wird, sowie einer Kreislaufführung für heiße, feste Wärmeträgerteilchen.
Ein solcher kombinierter Wirbelschichtreaktor hat den Zweck, in einer ersten Wirbelschichtkammer eine Entgasung oder Teilvergasung von Steinkohlen durchführen zu können, während in einer zweiten Wirbelschichtkammer die Verbrennung des erhaltenen Schwelkokses unter Nutzung der Brennstoffwärme in einem Dampfkessel erfoigt. Außerdem kann man <>o beispielsweise in einer weiteren Kammer des Wirbelschichtreaktors körnige Additive, die der Kohle zur Bindung von im Rauchgas befindlichem Schwefeldioxid zugesetzt werden, z. B. Dolomit, wieder regenerieren.
Es ist bekannt, bei der Crackung von Rohöldämpfen b5 und bei der Schwelung von Ölschiefern mehrere Wirbelschichtreaktoren für die verschiedenen Prozeßstufen, beispielsweise das katalytische Cracken von Rohöldämpfen und die Regenerierung des Katalysators oder die Schwelung von ölschiefer zur Gaserzeugung und die Verbrennung des Schwelkokses hintereinander im Verband zu betreiben. Die Verbindung zwischen den Reaktoren erfolgt bei den bekannten Verfahren durch pneumatische Förderleitungen (Ullmann 1958, Bd. 10, S. 235/236). Solche pneumatische Förderieitungen sind jedoch sehr verschleißanfällig, da hier körnige Feststoffe mit relativ hoher Geschwindigkeit über gegebenenfalls weite Strecken transportiert werden müssen.
Es ist auch bekannt. Kohle in einer Wirbelschicht zur Dampferzeugung in einem Wirbelschicht-Kessel-System zu verbrennen. Diese Feuerungen können mit bis zu 25 bar Druck im Feuerraum betrieben werden (DT-PS 9 73 248, Papiers of Third International Conference on Fluidizid Bed Combustion, U.S. Environmental Protection Agency Okt/Nov. 1972). Der Nachteil der bekannten Wirbelschichtfeuerungen besteht darin, daß eine gleichmäßige Verteilung des Brennstoffs über den gesamten Querschnitt der Wirbelschichten nur durch eine gleichmäßige Verteilung vieler Brennstoffzuführungsstellen über die Anströmfläche erfolgen kann.
Es sind ferner Wirbelschichtreaktoren bekannt, in denen in einem langgestreckten Wirbelbett aus Wärmeträgerteilchen Briketts thermisch behandelt werden. Hierbei wird eine Strömung des fluidierten Wärmeirägers in horizontaler Richtung durch ein leichtes Gefälle von der Wärmeträgeraufgabe zum Wärmeträgerauslauf in den rinnenartigen Wirbelschichtreaktoren erzeugt. Dann werden die Wärmeträgerteilchen zur Aufheizung der Teilchen pneumatisch außerhalb des Wirbelbettes in einer Rohrleitung an den Anfang des Wirbelbettes zurückgefördert. Hier liegt also gleichfalls nur eine einzige Wirbelrinne vor und keine Rückführung des Wirbelbettes an den Ausgangspunkt in einem geschlossenen Kreis (Glükkauf-Forschungshefte 26 (1965), Heft, 1, S. 67/68 und 70).
Außerdem ist eine Vorrichtung für eine zweistufige Verkohlung von Kohle bekannt, bei dem in einem ersten mit inerten Gasen betriebenen Wirbelbett eine Vorverkohlung stattfindet. Gebildeter Halbkoks wird darauf durch eine öffnung in ein daneben befindliches, gleichfalls mit Inertgas betriebenes zweites Wirbelbett eingespeist, während die bei der Vorverkohlung entstehenden Teerstoffe und Destillationsgase durch eine oberhalb des Wirbelbettes liegende öffnung in den Gasraum über dem zweiten Wirbelbett eingesprüht und dort verbrannt werden (DT-OS 17 71721). Eine Verbrennung des Kokses ist bei der bekannten Vorrichtung nicht vorgesehen. Außerdem besteht auch keine syphonartige Verbindung, also eine Trennung von Feststoff- und Gasraum zwischen den beiden Wirbelbetten, sondern es sind statt dessen zwei öffnungen in der Trennwand, eine für die Feststoffe und eine für die Gase vorgesehen. Auch eine direkte Rückführung des zweiten Wirbelbettes zum Ausgangspunkt findet nicht statt.
Es ist schließlich ein Verfahren zur Erzeugung von Koks und an H2 und CO stark angereicherten Gasen in zwei voneinander getrennten Wirbelschichtreaktoren bekannt, die mit Förderleitungen verbunden sind. Im ersten Reaktor wird Kohlenschlamm mit stickstoff- und sauerstoffarmen Gasen entgast und im zweiten Reaktor der gebildete Koks mit Luft und Dampf vergast. Im zweiten Reaktor findet also keine Verbrennung statt (DT-OS 20 54 125).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf engstem Raum in einem einzigen Wirbelschichtreaktor mit im Kreislauf geführten heißen Wärmeträgerteilchen auf fortschrittlichste Weise aus feinkörniger Kohle gleichzeitig hochgespannten Dampf, brennbare Gase und flüssige Nebenprodukte zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem langgestreckten horizontalen Wirbelschichtreaktor Syphon-Systeme angeordnet sind, die ihn in zwei rinnenförmige Wirbelschichtkammern, und ι ο zwar in eine Entgasungskammer und eine Verbrennungskammer unterteilen, wobei die Verbrennungskammer zwischen den Ein- und Auslaß der Entgasungskammer geschaltet ist.
Erfindungsgemäß besteht jeder Syphon aus einer Trennwand sowie einem Einlaßschacht und einem Auslaßschacht, welche am unteren Ende der Trennwand beginnen und ein U-Rohr bilden, welches die Verbrennungskammer mit der Entgasungskammer oder umgekehrt verbindet sowie einem horizontalen Einlaßkanal, welcher am unteren Ende des Auslaßschachtes über eine Düsenleiste in den Auslaßschacht mündet, der in die Entgasungskammer führt.
Außerdem enthält jeder Syphon einen schrägen Syphonboden. Ferner sind an der Entgasungskammer Einrichtungen zum Entfernen, Reinigen und Rückführen der Entgasungsgase sowie in der Verbrennungskammer Wärmetauscher zur Dampferzeugung angeordnet.
Der erfindungsgemäße Wirbelschichtreaktor arbeitet beispielsweise auf folgende Weise:
Als Wärmeträger und Transportmedium für die Feinkohle durch den Wjrbelschichtreaktor dient beispielsweise die Kohlenasche, körniger Kalkstein oder Dolomit sowie Sand, der in der Endgasungszone mit rückgeführtem, vom Teer befreiten Produktgas und/ oder mit Wasserdampf in der Verbrennungszone mit Luft durch die Anströmboden hindurch aufwärts angeblasen und fluidisiert wird. Sofern eine weitere Kammer zur Regenerierung des umlaufenden Kalksteins nachgeschaltet ist, kann diese Wirbelschichtkam- *o mer mit dem Rauchgas der Verbrennungszone betrieben werden. In die Verbrennungszone können oberhalb der Wirbelschicht zusätzliche Dampfregister eingebaut sein, die die Wärme der heißen Rauchgase, die die Wirbelschicht verlassen, ausnutzen.
Wärmeträger und Brennstoff werden miteinander vermischt und aus jeder Kammer über ein oder mehrere Syphons in die nächste Kammer im Kreislauf durch den Wirbelschichtreaktor geführt. Diese Syphon-Systeme sind in den Trennwänden zwischen zwei Wirbelschicht- so kammern angeordnet. Die horizontale Kreislaufbewegung des Brennstoff-Wärmeträgergemisches in dem Wirbelschichtreaktor wird durch Einführung von Gasen in die Syphon-Systeme aufrechterhalten. Aaf diese Weise werden die Trennwände für die körnigen Feststoffe durchlässig, während sie für die Anströmgase der einzelnen Kammern weitgehend undurchlässig sind. Der Wirbelschichtreaktor kann auch mit Gasdruck bis zu 25 bar in den einzelnen Kammern betrieben werden. Es ist dann erforderlich, daß alle Kammern mit nahezu so gleichem Druck betrieben werden. Die Rauchgase aus der Verbrennungskammer werden dann über eine Gasturbine geleitet.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktors ist in der Zeichnung dargestellt b"> und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung des Wirbelschichtreaktors im Querschnitt;
F i g. 2 eine Aufsicht auf den Reaktor nach F i g. 1 und
Fig.3 eine vergrößerte schematische Darstellung eines Syphon-Systems im Querschnitt.
Nach F i g. 1 und 2 besteht der Wirbelschichtreaktor 1 aus einem langgestreckten ließenden Behälter, der durch Syphon-Systeme 2 und 3 in zwei rinnenartige Wirbelschichtkammern unterteilt ist Hierbei ist das Ende der Verbrennungskammer S an den Ausgangspunkt der Entgasungskammer 4 zurückgeführt worden. Beide Wirbelschichtkammern sind durch die Syphon-Systeme 2 und 3 weitgehend gasdicht voneinander abgetrennt In der Entgasungskammer 4 werden beispielsweise 50 t/h Feinkohle mit einem Gehalt an Flüchtigen Bestandteilen zwischen 30 und 40% und in einer Körnung bis 6 mm, die mittels einer mit Dampf betriebenen pneumatischen Aufgabevorrichtung durch das Rohr 6 eingeführt werden, mit 150 t/h heißen, festen Wärmeträgern vermischt Der Wärmeträger besteht beispielsweise aus Kohlenasche, Sand und Kalkstein, und er gelangt über den Syphon 3 mit einer Temperatur von etwa 800°C in die Entgasungskammer 4. Durch die Zugabe der Feinkohle ergibt sich hier eine Mischtemperatur von 450 bis 600cC, wobei etwa 10 t/h Rohgas entstehen, die über den Produktgasabzug 7 einer Gasreinigung und Gaszerlegung zugeführt werden. Es werden hierbei etwa 6,5 t/h Teer und Schwelbenzin sowie 3,5 t/h Ferngas mit hohem Heizwert erhalten. Die Fluidisierung der Feststoffe erfolgt in der Entgasungskammer 4 mit Hilfe des in der Entgasungszone gebildeten Rohgases sowie mit durch das Rohr 8 zurückgeführtem gereinigtem Produktgas oder durch Wasserdampf in einer solchen Menge, daß gerade eine ausreichende Aufwirbelung und Mischung der Feststoffe über dem Anströmboden 9 entsteht.
Die nach der Entgasung verbleibenden 40 t/h Schwelkoks werden mit den 150 t/h Wärmeträgern über den Syphon 2 in die Verbrennungskammer 5 eingebracht Dort wird diese Mischung mit Hilfe der über das Rohr 10 zugeführten, auf etwa 4000C vorgewärmten Luft vollständig verbrannt. Die durch die Verbrennung freiwerdende Wärme wird zum größten Teil durch den Wärmeträger auf Wärmetauscher 11 übertragen, die in die Wirbelschicht der Verbrennungszone eintauchen. Bei einem Luftüberschuß von nur etwa 10% wird hierbei eine mittlere Wirbelschicht-Temperatur von 800-9000C eingehalten. Hierzu ist ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Anströmfläche des Anströmbodens 9a und der in die Wirbelschicht eintauchenden Wärmetauschfläche der Wärmetauscher 11 erforderlich. Dieses Verhältnis ist vom Betriebszustand der Verbrennungskammer 5 abhängig und kann durch Einstellen unterschiedlicher Wirbelschichthöhen angepaßt werden.
Ein Teil der Verbrennungswärme dient zur Aufheizung der Wärmeträger, die dann über den Syphon 3 der Entgasungskammer 4 wieder zugeführt werden. Überschüssige Asche wird aus der Verbrennungszone in der Verbrennungskammer 5 über einen Ablauf 12 abgezogen.
Zwischen dem Ende der Verbrennungskammer 5 und dem Syphon 3 kann über ein weiteres nicht gezeichnetes Syphon-System eine weitere Wirbelschichtkammer angeordnet sein, in der der im Kreislauf mit dem Wärmeträger geführte Kalkstein durch Erhitzen mit Rauchgasen wieder regeneriert werden kann. Ergänzende Kalksteinmengen werden mit der Kohle durch das Rohr 6 der Entgasungszone in der Entgasungskammer 4 aufgegeben.
Das Rauchgas, das die Verbrennungskammer 5 mit einer Temperatur von ebenfalls 800 bis 9000C über das Rohr 13 verläßt, wird nachgeschalteten Konventionsheizflächen zur Dampferzeugung, Speisewasservorerwärmung oder Lufterhitzung zugeführt und gelangt dann über einen Staubabscheider zum Kamin. Wird der Wirbelschichtreaktor unter Druck betrieben, so werden die entstaubten heißen Rauchgase über eine Abgasturbine entspannt. Die Dampferzeugung des vorstehenden Ausführungsbeispiels reicht aus, eine elektrische Leistung von etwa 100 MWeI zu erhalten.
Nach F i g. 3 sind beim Syphon 3, der die Verbrennungskammer 5 mit der Entgasungskammer 4 verbindet, beide Wirbelschichtkammern durch die Trennwand 14 gegeneinander abgeteilt. Der körnige Feststoff tritt über den Einlaßschacht 15 in den Syphon 3 ein und gleitet über den schrägen Syphonboden 16 zur Düsenleiste 17 hinab, wo durch den Einlaßkanal 18 das Syphon-Antriebsgas eingeblasen wird. Durch das Antriebsgas, das beispielsweise beim Syphon 3 aus Dampf und beim Syphon 2 aus Luft besteht, wird der Feststoff unter heftiger Blasenbildung aufgewirbelt und mit den aufsteigenden Gasblasen in den Auslaßschacht 19 mitgerissen. Durch die Abwärtsbewegung der Feststoffe im Einlaßschacht 15 und den horizontalen Abstand zwischen Einlaßschacht 15 und der horizontal angeordneten Düsenleiste 17 wird verhindert, daß eine rückwärtige Gasströmung in die Verbrennungskammer 5 entsteht Bei einer Druckdifferenz bis zu 0,03 bar, vorzugsweise nicht mehr als 0,01 bar zwischen den Wirbelschichtkammern ist ein einwandfreier Betrieb des Wirbelschichtreaktors möglich, ohne daß die Gefahr für einen unerwünschten Gasdurchtritt von einer Wirbelschichtkammer in die andere besteht. Die Umlaufgeschwindigkeit des Feststoffes in den Wirbelschichtreaktor läßt sich durch die Größe der Syphoneinlaßschächte, die Anordnung der schrägen Syphonboden und durch die durch die Düsenleisten strömenden Gasmengen einstellen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile besteher insbesondere darin, daß Entgasung und/oder Vergasung von Steinkohlen und die Verbrennung des anfallender Schwelkokses in einem gemeinsamen Wirbelschichtreaktor durchgeführt werden können. Deshalb entfaller lange Transportwege für die Feststoffe von einei Wirbelschichtkammer zur anderen. Außerdem lasser sich durch die Aufteilung des Wirbelschichtreaktors ir
ίο mehrere auf gleicher Ebene liegende Wirbelschichtkammern die Verweilzeiten der Feststoffe in den einzelner Wirbelschichtkammern beliebig einstellen. Auf diese Weise kann ein gezielter Wärmetransport mittels der festen Wärmeträger durchgeführt werden.
Da ein Teil des körnigen Feststoffes als Wärmeträger im Kreislauf durch den Wirbelschichtreaktor geführt wird, läßt sich auch eine intensive Mischung in einei Mischkammer durchführen, wodurch eine gleichmäßige Verteilung dieser Mischung in den anschließender Kammern erzielt wird. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Aufgabe von frischer Kohle sowie der Abzug von fester Produkten an jeder gewünschten Stelle des Wirbelschichtreaktors erfolgen kann. Außerdem gestatten die Syphon-Systeme in dem Wirbelschichtreaktor in jedei der Wirbelschichtkammern eine getrennte Gasführung und somit auch eine getrennte Behandlung dei Produktgase durchzuführen.
Ein großer Vorteil ist insbesondere, daß dei Wirbelschichtreaktor kaum mechanisch bewegte Teile im Bereich heißer Zonen benötigt. Auch die Regeleinrichtungen können in Bereichen mit keiner oder nui geringer Wärmebelastung untergebracht werden. Es isi lediglich erforderlich, daß alle Wirbelschichtkammerr mit einem bis auf die für den horizontalen Feststofftransport erforderlichen geringen Druckdifferenzer annähernd gleichen Gasdruck betrieben werden, um die Wirkung der Syphon-Systeme nicht zu beeinträchtigen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Wirbelschichtreaktor mit zwei oder mehr abgetrennten Kammern zur Erzeugung von hochgespanntem Dampf, brennbaren Gasen und flüssigen Nebenprodukten aus feinkörniger Kohle, bestehend aus einer Entgasungszone, in der Kohle mit stickstoff- und sauerstoffarmen Gasen aufgewirbelt wird, und einer Verbrennungszone, in der Kohle durch Aufwirbelung mit Luft verbrannt wird, sowie einer Kreislaufführung für heiße, fesie Wärmeträgerteilchen, dadurch gekennzeichnet, daß in einem langgestreckten horizontalen Wirbelschichtreaktor (1) Syphon-Systeme (2 und 3) angeordnet sind, die ihn in zwei rinnenförmige Wirbelschichtkammern, und zwar in eine Entgasungskammer (4) und eine Verbrennungskammer (5) unterteilen, wobei die Verbrennungskammer (5) zwischen den Ein- und Auslaß der Entgasungskammer (4) geschaltet ist
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Syphon (2 oder 3) aus einer Trennwand (14) sowie einem Einlaßschacht (15) und einem Auslaßschacht (19) besteht, welche am unteren Ende der Trennwand (14) beginnen und ein U-Rohr bilden, welches die Verbrennungskammer (5) mit der Entgasungskammer (4) oder umgekehrt verbindet sowie einem horizontalen Einlaßkanal (18), welcher am unteren Ende des Auslaßschachtes (19) über eine Düsenleiste (17), in den Auslaßschacht (19) mündet, der in die Entgasungskammer (4) führt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Syphon (2 oder 3) einen schrägen Syphonboden (16) enthält.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Entgasungskammer (4) Einrichtungen zum Entfernen, Reinigen und Rückführen der Entgasungsgase sowie in der Verbrennungskammer (5) Wärmetauscher (11) zur Dampferzeugung angeordnet sind. ·*ο
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