DE2539546C3

DE2539546C3 - Verfahren zur Verbrennung kohlenstoffhaltiger Materialien

Info

Publication number: DE2539546C3
Application number: DE2539546A
Authority: DE
Inventors: Sune Natanael Dipl.-Ing. Vaesteraas Flink; Martin Dipl.-Ing. 6000 Frankfurt Hirsch
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1975-09-05
Filing date: 1975-09-05
Publication date: 1985-10-24
Also published as: AU500206B2; SE7609676L; IN143376B; JPS5233132A; SE424225B; JPS5728046B2; RO86704A; GB1510946A; ES451239A1; SE424225C; RO86704B; CA1057584A; DE2539546B2; FR2323101B1; FR2323101A1; AU1572476A; ZA763293B; CS212255B2; SU898960A3; DD126526A5

Description

a) in an sich bekannter Weise die Verbrennung mit in zwei Teilströmen, in unterschiedlicher Höhe zugeführten sauerstoffhaltigen Gasen durch- is führt, von denen mindestens einer als Sekundärgas in eine oder mehrere übereinanderliegende Ebenen eingetragen wird,

b) zwecks Beeinflussung des Wärmeüberganges an die Kühlflächen oberhalb der Sekundärgaszuführung eine mittlere Suspensionsdichte von 15 bis 100 kg/m³ durch Einstellung der Fluidisierungs- und Sekundärgasmenge schafft, wobei das Volumenverhältnis von Fluidisierungsgas zu Sekundärgas auf einen Wert im Bereich von 1 :20 bis 2 :1 eingestellt wird,

c) mindestens den überwiegenden Teil des kohlenstoffhaltigen Materials in den unterhalb der Sekundärgaszuführung befindlichen, praktisch einbautenfreien Teil des Reaktorraumes einträgt ΐ'ΊΟ* die Verbrennungswärme überwiegend mittels der oberhalb der Sekundärgaszuführung innerhalb des freien Reaktorraumes befindlichen Kühlflächen abführt.

~

2. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in an sich bekannter Weise einen Teilstrom der sauerstoffhaltigen Gase dem Wirbelschichtreaktor als Fluidisierungsgas zuführt

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oberste Ebene der Sekundärgaszuführung in einer Höhe bis 30% de/ Gesamthöhe des Wirbelschichtreaktors, mindestens jedoch 1 m über der Fluidisierungszuführung, liegt.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man Verbrennungswärme durch weitere an der Wandung des Wirbelschichtreaktors befindliche Kühlflächen abführt.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprü- so ehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Verbrennung rückstandsreicher Brennstoffe die die Feststoffe bildenden Rückstände in einem Wirbelschichtkühler, vorzugsweise mit mehreren nacheinander durchflossenen Kammern, unter Aufheizung von dem Wirbelschichtreaktor als Fluidisierungs- und/oder Sekundärgas dienendem Gas kühlt.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verbrennung in Gegenwart eines feinkörnigen Entschwefelungsmittels durchführt, dessen Körnigkeit etwa der des kohlenstoffhaltigen Materials entspricht.

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur nahstöchiometrischen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Materialien in einem Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender Wirbelschicht unter Abführung von Verbrennungswärme durch Kühlflächen im Reaktorraum und Entnahme von Feststoff aus dem aus Wirbelschichtreaktor, Abscheider und Rückführleitung gebildeten Zirkulationssystem.

Ein derartiges Verfahren ist aus der Literaturstelle AIChE Symposium Series 141, Vol. 70 (1974), S 21 -26, J. R. GRACE »Fluidization and its Application to Coal Treatment and Allied Processes« bekannt Dort ist eingangs auf die Kohleverbrennung in mit hoher Gasgeschwindigkeit betriebenen Wirbelbetten verwiesen (vgl. S. 21, linke Spalte, letzter Absatz). Im weiteren Verlauf der Abhandlung erwähnt der Autor das Konzept der Kalzination von Aluminiumhydroxid in »schnell fluidisierten Wirbelbetten« (vgl. Seite 24, rechte Spalte, zweiter Absatz) — exakt handelt es sich hierbei um zirkulierende Wirbelschichten —, ohne allerdings in diesem Zusammenhang die Kohleverbrennung zu erwähnen. Statt dessen wird die Kohlevergasung als besonders wichtiger Anwendungsfall für derartig betriebene Wirbelbetten herausgestellt und darauf hingewiesen, daß über weitere Einsatzgebiete die Auffassungen geteilt seien (vgl. Seite 24, rechte Spalte, letzter Absatz).

Im Ergebnis kann davon ausgegangen werden, daß die genannte Literaturstelle das Prinzip der Kohleverbrennung in der zirkulierenden Wirbelschicht für den Fachmann erkennbar offenbart Nähere zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Verfahrensmaßnahmen hingegen sind nicht angegeben.

Neben der zirkulierenden Wirbelschicht ist auch das »klassische« Wirbelschichtverfahren zur Kohleverbrennung bekannt (GB-PS 7 76 791). Ein Charakteristikum des »klassischen« Wirbelschichtverfahrens ist, daß eine vergleichsweise dichte, das Wirbeibett bildende Phase durch einen deutlichen Dichtesprung vom darüberliegenden, praktisch feststofffreien Gasraum getrennt wird. Eine besondere Ausgestaltung dieser Verfahrensart besteht darin, die Verbrennung unter Druck vorzunehmen und mit den Verbrennungsgasen eine Heißgasturbine zu betreiben (DE-PS 9 66 644).

Nachteilig bei den bekannten »klassischen« Verfahren ist, daß mit vergleichsweise geringer Betthöhe gearbeitet werden muß, um den durch das Wirbelbett gegebenen Druckverlust in vertretbaren Grenzen zu halten, daß infolge des Vorhandenseins von Kühlflächen im unteren Reaktcrraum die Quervermischung des Feststoffes im Wirbelbett gestört ist, so daß Temperaturinhomogenitäten (Überhitzung, Verkrustungenj auftreten. Insbesondere nachteilig ist daß eine Anpassung in der Betriebsweise des Reaktors an den bestehenden und durchaus schwankenden Leistungsbedarf nur sehr unvollkommen möglich ist Die Anpassung ist praktisch nur über eine Temperaturerniedrigung möglich, die jedoch mit verschlechterten Verbrennungs- und Fluidisierungsbedingungen verbunden ist, oder über die Abschaltung einzelner Reaktoreinheiten durchführbar.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren bereitzustellen, das eine günstigere Anpassung in der Betriebsweise des Wirbelschichtreaktors an den bestehenden Leistungsbedarf ermöglicht und dennoch ohne erhöhten apparativen und verfahrensmäßigen Aufwand durchführbar ist

Die Aufgabe wird gelöst, indem das Verfahren der eingangs genannten Art entsprechend der Erfindung gemäß der in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalsfolge ausgestaltet wird.

3 4

Zwar ist in der GB-PS 7 84 595 ein Verfahren zur wobei Erzeugung und Überhitzung von Dampf mittels im

Reaktorraum befindlicher Kühlschlangen beschrieben, λ . _ .

bei dem der Verbrennung dienende sauerstoffhaltige Ar =

Gase in unterschiedlicher Höhe zugeführt werden, s S§"^

jedoch erfolgt dabei gleichzeitig auch die Zufuhr entsprechender Brennstoffmengen, so daß ein sauer- ist stoffhaltiges Sekundärgas im Sinne des vorliegenden Es bedeuten:

Verfahrens nicht zum Einsatz kommt Außerdem ist

auch hier — wie insbesondere F i g. 1 veranschaulicht — io u die relative Gasgeschwindigkeit in m/s der Bereich des Brennstoffeintrages mit Wärmeaus- Ar die Archimedeszahl tauschflächen versehen, womit der bereits mit Bezug auf Fr die Froudezahl die »klassischen« Wirbelschichtverfahren erwähnte ρ^ die Dichte des Gases in kg/m³ Nachteil der gestörten Quervermischung verbunden ist Qk die Dichte des Feststoffteilchens in kg/m³

Schließlich handelt es sich beim Verfahren der 15 </* den Durchmesser des kugelförmigen Teilchens in m britischen Patentschrift nicht um ein Verfahren mit ν die kinematische Zähigkeit in m²/s zirkulierender Wirbelschicht der gattungsgemäßen Art g die Gravitationskonstante in m/s² So ist der Beschreibung von Seite 3 unten bis Seite 4

oben entnehmbar, daß innerhalb des Reaktors erhebli- Die Aufteilung der insgesamt zur Verbrennung

ehe Temperaturunterschiede auftreten, wohingegen ein 20 erforderlichen sauerstoffhaltigen Gase auf zwei in Charäkteristikum einer zirkulierenden Wirheischicht unterschiedlicher Höhe zugeführte Teilstöme bewirkt, die Temperaturkonstanz im gesamten Zirkulationssy- daß die Verbrennung in zwei Stufen erfolgt Hierdurch stern ist wird eine »weiche« Verbrennung, d. h. eine solche ohne

Weiterhin ist aus der DE-OS 17 67 628 ein Verfahren lokale Überhitzungserscheinungen, erhalten, die neben zur Durchführung endothermer Prozesse in der 25 einer Vermeidung, der Krustenbildung auch die zirkulierenden Wirbelschicht bekannt, bei dem die Entstehung von Stickoxiden auf Werte unter 100 ppm Verbrennung des die Prozeßwärme liefernden Brenn- zurüqkdrängt

stoffes mit in unterschiedlicher Höhe zugeführten Infolge der weitgehenden Freiheit von Einbauten im

sauerstoffhaltigen Gasen, von denen eines als Fluidisie- unteren, unter der Sekundärgaszuführung liegenden rungsgas und eines als Sekundärgas dient, durchgeführt JO Reaktorraum wird augenblicklich eine gute Verteilung wird. Auch ist dort vorgesehen, den Brennstoff des eingetragenen kohlenstoffhaltigen Materials erzielt unterhalb der Sekisndärgaszuführung einzutragen und Die schnelle Durchmischung mit dem heißen Bettmatedie Aufteilung des sauerstoffhaltigen Gases in einer rial gewährleistet zudem eine gute Zündung des Weise vorzunehmen, daß eine teilweise Überlappung Brennstoffes. Der bei kohlenstoffhaltigem Material mit der anmeldungsgemäßen Aufteilung vorliegt Im :» vorgesehene Einsatz in feinkörniger Form, etwa mit Hinblick darauf, daß es sich jedoch bei der DE-OS einem mittleren Komdurchmesser von 30 bis 250 μπι 17 67 628 um die Darstellung eines Verfahrens zur und damit großer Oberfläche ermöglicht kurze Reak-Durchführung endothermer Prozesse und nicht eines tionszeiten.

Verbrennuirjsverfahrens mit Abführung von Verbren- Der der Verbrennung dienende Wirbelschichtreaktor

nungswärme über Kühlflächen nach außen handelt, ίο kam? von rechteckigem, quadratischem oder kreisförmikonnte diese Druckschrift dem auf dem Gebiet der gem Querschnitt sein. Der untere Bereich des Energieerzeugung tätigen Durchschnittsfachmann kei- Wirbelschichtreaktors kann auch konisch ausgebildet ne Anregung zum anmeldungsgemäßen Verfahren sein, was insbesondere bei großen Reaktorqusrschnitgeben. . - ten und bei Verwendung von Inertgas als Fluidisierungs-

Das bei der Erfindung angewendete Wirbelschicht- « gas vorteilhaft.ist

prinzip zeichnet sich dadurch aus, daß — im Unterschied Die im Wirbelschichtreaktor oberhalb der Sekundär-

zur »klassischen« Wirbelschicht bei der eine dichte gaszuführung herrschenden Gasgeschwindigkeiten lie-Phase durch einen deutlichen Dichtesprung von dem gen bei Normaldruck im Regelfall über 5 m/s und darüber befindlichen Gasraum getrennt ist — Vertei- können bis zu.15 m/s betragen.

lungszuEtände ohne definierte Grenzschicht vorliegen, so Das Verhältnis von Durchmesser zu Höhe des Ein Dichte^prung zwischen dichter Phase und darüber Wirbelschichtreaktors sollte derart gewählt werden, befindlichem Staubraum ist nicht existent; jedoch nimmt daß Gasverweilzeiten voit 0,5 bis 8,0 s, vorzugsweise 1 innerhalb des Reaktors die Feststoffkonzentration von bib 4 s, erhalten werden, unten nach oben ständig ab. Als Fluidisierungsgas kann praktisch jedes beliebige,

Bei Definition der Betriebsbedingungen über die 55 die Beschaffenheit des Abgases nicht beeinträchtigende Kennzahlen von Froude und Archimedes ergeben sich Gas eingesetzt werden. Es sind z. B. Inertgase, wie die Bereiche: rückgeführtes Rauchgas (Abgas), Stickstoff und Wasser-

xP- _ρ dampf, geeignet ItF Hinblick auf die Intensivierung des

0,1 < 3/4 · —-j- ' —■£— ^ 10, Verbrennungsprozesses ist es jedoch vorteilhaft, in der

t. S k ei Qi _ω Ausführangsform gemäß Patentanspruch 2 zu verfah-

mit ^ren·

M Es ergeben sich mithin für die Durchführung des

$ u² _ , Verfahrens die Möglichkeiten:

j.· * Ml. Als Fluidisierungsgas Inertgas zu verwenden. Dann

ι! bzw. ist es unerläßlich, das sauerstoffhaltige Verbren-

f:¹ nungsgas als Sekundärgas in mindestens zwei

0,01 < Ar < 100, übereinanderliegenden Ebenen einzutragen.

2. Als Fluidisierungsgas bereits sauerstoffhaltiges Gas zu verwenden. Dann genügt der Eintrag von Sekundärgas in einer Ebene. Selbstverständlich kann auch bei dieser Ausführungsform noch eine Aufteilung des Sekundärgaseintrags in mehrere Ebenen erfolgen.

Innerhalb jeder Eintragsebene sind mehrere Zuführungsöffnungen für Sekundärgas vorteilhaft

der Gehalt an derartigen Bestandteilen hoch, ist es vorteilhaft, den Wärmeinhalt nutzbar zu machen. Dies kann in der bevorzugten Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 geschehen. Auf diese Weise gelangt der Wärmeinhalt der Feststoffe in den Verbrennungsprozeß zurück.

Um den Schwefelgehalt im Abgas gering zu halten, ist es vorteilhaft gemäß Patentanspruch 6 zu arbeiten. Die Entschwefelungstnittel, wie Kalk, Dolomit u. dgl., die h di Kiki d f k

Leistungssteigerungen bei vorgegebenen Reaktorab- 10 etwa auch die Körnigkeit des festen kohlenstoffhaltigen

messungen lassen sich erzielen, wenn der Verbrennungsprozeß anstatt mit Luft mit mit Sauerstoff angereicherter Luft und/oder Druck, vorzugsweise bis 21 bar, durchgeführt wird. Gegenüber der Betriebsweise i f b

Materials aufweisen sollten, werden in einfachster Weise zusammen mit diesem aufgegeben.

Der herausragende Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es in einfachster Weise an

mit Luft bzw. der Betriebsweise unter Normaldruck, 15 den in der Praxis durchaus schwankenden Leistunesbe-

darf angepaßt werden kann. Dies geschieht, indem die Verbrennungsleistung über die Suspensionsdichte im

sind dann jewel's die Kühlflächen, z. B. durch Einbau weiterer Kühlregister im Ofenraum oberhalb der Sekundafsslsifjn", zu erhöhe." Bei Verwenden™ ve,"

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mit Sauerstoff angereicherter Luft sollte die Suspen- raum des Wirbelschichtreaktors geregelt wird, sionsdichte im oberhalb der Sekundärgaszuführung 20 Mit einem herrschenden Betriebszustand unter befindlichen Reaktorraum im oberen Bereich von 15 bis vorgegebenen Fluidisierungsgas- und Sekundärgasvolu-100 kg/m³ liegen, da in diesem Fall die Wärmestromdichten größer sind und bei höherem Feststoffgehalt

höhere Wärmeübergangszahlen erreicht werden.

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mina und daraus resultierender bestimmter, mittlerer Suspensionsdichte ist ein bestimmter Wärmeübergang verbunden. Der Wärmeübergang auf die Kühlflächen id

De ärmeübergang auf die Kühlflächen

Eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen ₂5 wird erhöht, indem durch Erhöhung der Fluidisierungsrfahrens bescheibt Ptth 3 Bi di d

Verfahrens beschreibt Patentanspruch 3. Bei dieser Angabe ist — sofern das Sekundärgas in mehreren Ebenen zugeführt wird — auf die Höhenlage der obersten Sekundärgasleitung abgestellt Diese Höhe schafft einerseits einen hinreichend großen Raum für die erste Verbrennungsstufe mit nahezu vollständiger Umsetzung zwischen kohlenstoffhaltigem Material und sauerstoffhaltigem Gas — sei es als Fluidisierungsgas oder Sekundärgas in einer tiefer liegenden Ebene

gasmenge und gegebenenfalls auch der Sekundärgasmenge vie Suspensionsdichte erhöht wird. Mit dem erhöhten Wärmeübergang ist bei praktisch konstanter Verbrennungstemperatur die Möglichkeit zur Abfuhr der bei erhöhter Vtrbrennungsltistung entstehenden Wärmemengen gegeben. Der auf Grund der höheren Verbrennungsleistung erforderliche erhöhte Sauerstoffbedarf ist hierbei durch die zur Erhöhung der Suspensionsdichte verwendeten höheren Fiuidisie-

zugeführt - und gibt andererseits die Möglichkeit, im 35 rungsgas- und gegebenenfalls Sekundärgasmengen

oberen, über der Sekundärgaszuführung liegenden quasi automatisch vorhanden.

Reaktionsraum ausreichend große Kühlflächen unterzu- ' Analog läßt sich zur Anpassung an einen verringerten

bringen. Leistungsbedarf die Verbrennungsleistung durch Ver-

Eine weitere Vergrößerung-der Kühlflächen läßt sich ringerung der Suspensionsdichte im oberhalb der erzielen, wenn in weiterer zweckmäßiger Ausgessaitung 40 Sekundärgasleitung befindlichen Ofenraum des Wirbeides Verfahrens gemäß Patentanspruch 4 vorgegangen schichtreaktors regeln. Durch die Erniedrigung der ^w'^rd; Suspensionsdichte wird auch der Wärmeübergang

Diese Kühlflächen können auch die Wandung des verringert, so daß aus dem Wirbelschichtreaktor

unteren Reaktorbereiches bedecken, da hierdurch die weniger Wärme abgeführt wird. Im wesentlichen ohne

Feststoffvermischung nicht beeinträchtigt wird. Es kann 45 Temperaturänderung läßt sich dadurch die Verbren-

auch die Wand selbst als Kühlfläche ausgebildet sein. nungsleistung zurücknehmen.

Die Kühlflächen bestehen im allgemeinen aus Der Eintrag des kohlenstoffhaltigen Materials erfolgt rechteckigen, im Zwangsdurchlauf gekühlten Rohrwän- auf übliche Weise, am zweckmäßigsten über eine oder den im lichten Abstand von mindestens 150 mm, mehrere Lanzen, ζ. Β. durch pneumatisches Einblasen, vorzugsweise 25C bis 500 mm. Derartige Kühlflächen 50 Hiervon genügt infolge der guten Quervermischung werden auch bei Wandkühlung eingesetzt. Der Verlauf eine vergleichsweise geringe Zahl, bei kleineren der Rohrachsen sollte dabei parallel zur Strömungsrich- Wirbelschichtreaktorabmessungen eine einzige Lanze, tung der Gas/Feststoff-Sus.pension sein, wodurch ein Die Rückführung der mit den Abgasen aus dem Minimum an Erosion entsteht Zwar ist hierdurch im Wirbelschichtreaktor ausgetragenen festen Verbren-Vergleich zu einer Rohranordnung mit horizontaler und 55 nungsrückstände erfolgt durch Zyklon abscheider oder damit senkrecht zur Strömungsrichtung stehender durch Umlenkung des Gasstromes, wobei die Wände Achse ein geringfügig geringerer Wärmedurchgang pro der Rückführungsvorrichtungen mit vorzugsweise par-Kühlflächeneinheit verbunden. Im Hinblick darauf, daß allel angeströmten Kühlflächen versehen sein können, beim erfmdungsgemäßen Verfahren jedoch große Die Endreinigung der Gase kann in herkömmlicher Kühlflächen im Wirbelschichtreaktor und gegebenen- 60 Weise, beispielsweise mit einem Elektrofilter erfolgen, falls in dem nachgeschalteten Abscheider- und Rück- Eine Rückführung des hierbei abgeschiedenen Festführaggregat untergebracht werden können, ist der Stoffs in den Wirbelschichtreaktor zur Erzielung eines verringerte Wärmedurchgang ohne Belang. möglichst geringen Kohlenstoffgehaltes ist möglich.

Sofern die kohlenstoffhaltigen Materialien nur Das erfmdungsgemäße Verfahren eignet sich insbe-

geringe unverkennbare Bestandteile enthalten, ist eine 65 sondere für die Verbrennung von Kohle aller Art von

Ausnutzung der fühlbaren Wärme nach ihrer Entnahme Kohlewaschbergen, Räumaschen, Ölschiefer sowie

aus dem Zirkulationssystem Wirbelschichtreaktor/Ab- Heizöl und Mischungen hiervon. Bei Verwendung von

scheider/Rückführleitung nicht wirtschaftlich. Ist jedoch Heizöl als kohlenstoffhaltigem Material ist ein Bettma-

terial, ζ. B. aus feinkörnigem Kalk oder Dolomit oder anderen mineralischen Stoffen, erforderlich.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht auch darin, daß eine bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Materialien bislang noch nicht erreichte Temperaturkonstanz über das gesap.tt aus Wirbelschichtreaktor, Abscheider und Rückführung bestehende Zirkulationssystem erzielt wird. Durch die intensive Feststoffbewegung treten Temperaturgradienten nicht aulF, so daß ci.ne Überhitzung einzelner Feststoffpartikel vermieden wird.

In der bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens mit Zugabe von Entschwefelungsmitteln wirkt sich die hohe Temperaturkonstanz auch positiv auf die Entschwefelung der Abgase aus. Es wird nämlich erreicht, daß die Entschwefelungsmittel infolge der hohen Tempi raturkonstanz ihre Aktivität und damit ihr Aufnahmevermögen gegenüber Schwefel bshshsn. Die hohe Feinkörnig keil des Entschwefelungsmittels ergänzt diesen Vorteil, da das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen für die im wesentlichen durch die Diffusionsgeschwindigkeit bestimmte Bindungsgeschwindigkeit des Schwefels besonders günstig ist

Das erfindungsgemäße Verfahren gestatte! zudem eine vollständige Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Materials mit Sauerstoffmengen, die nur geringfügig über dem stöchiometrischen Bedarf liegen. Der Überschuß liegt regelmäßig unter 10%.

Die Erfindung wird an Hand der Figuren und der Ausft .lrungsbeispiele beispielsweise und näher erläutert. Es veranschaulicht

F i g. 1 schematisch einen Schnitt durch einen Wirbeischichtreaktor mit zylindrischem Reaktorraum,

Fig.2 schematisch einen Schnitt durch einen Wirbelschichtreaktor mit zylindrischem, unten als Konus ausgebildetem Reaktorraum und

F i g. 3 schematisch einen Schnitt durch den Wirbelschichtreaktor gemäß F i g. 1 mit angeschlossenen Apparaturen.

Der Wirbelschichtreaktor 1 ist oberhalb der Sekundärgasleitung 2 mit Kühlflächen 3 ausgerüstet Weitere Kühlflächen 4 und 5 befinden sich an der Wandung des Wirbelschichtreaktors 1 bzw. des mit dem Wirbelschichtreaktor 1 eine bauliche Einheit bildenden Abscheiders 6. Damit die Lage der Kühlflächen besonders anschaulich ist, ist hier entgegen der bevorzugten Ausführungsform eine horizontale Anordnung der einzelnen Rohre gewählt

Im Betrieb wird dem Wirbelschichtreaktor 1 über Lanze 7 kohlenstoffhaltiges Material, über Leitung 8 Fluidisierungsgas und über Leitung 2 Sekundärgas aufgegeben. Im Bereich zwischen Sekundärgasleitung 2 und Fluidisierungsgaszuführung befindet sich eine vergleichsweise dichte Wirbelschicht, deren Suspensionsdichte nahezu bis zur Schüttdichte des Bettmaterials reichen kann. Oberhalb der Sekundärgasleitung 2 beträgt die mittlere Suspensionsdichte 15 bis 100 kg/m³.

Der mit dem Abgas aus dem Wirbelschichtreaktor 1 ausgetragene Feststoff wird im Abscheider 6 vom Abgas getrennt und über Leitung 9 in den Wirbelschichtreaktor 1 zurückgeführt Die Überschußproduktion an Feststoff wird über Leitung 10 entnommen.

Dem Abgas kann Wärme entzogen werden, z.B. indem man nach üblicher Dampfkesseltechnik arbeitet oder — besonders vorteilhaft — das Abgas als Fluidisierungsgas in einen Wirbelschichtkühler leitet Der beispielsweise als Venturi-Wirbler ausgebildete Wirbelschichtkühler kann rechteckigen, quadratischen oder kreisförmigen Querschnitt besitzen und aus Rohrwänden gebildet sein. Gegebenenfalls kann auch der Wärmeaustausch gegen in Rohrbündeln fließendes Kühlmittel erfolgen. Beide Formen der Kühlung können zudem gemeinsam angewendet werden. Am zweckmäßigsten ist der Einsatz von Wasser als Kühlmittel, das hierbei aufgeheizt und dann zur Verdampfung und Überhitzung den Kühlflächen des der Verbrennung dienenden Wirbelschichtreaktors zugeführt wird.

Im Wirbelschichtreaktor gemäß Fig. 2 ist das Unterteil konisch ausgebildet. Die Zuführung von Sekundärgas erfolgt hier über in verschiedenen Höhen angebrachte Lotungen 2a, 2b. 2c und 2d. Die weiteren Bezeichnungt · stimmen mit denen gemäß Fig. 1 überein.

In der Ausführungsfcrm gemäß Fig.3 ist dem Aggregat gemäß F i g. 1 abgasseitig ein Abhitzekessel 1! und cir. Elektrofilter 12 nachgcschaitci. Ein mi; Kühlregistern 13 ausgestatteter Wirbelkühler 14 dient zur Kühlung des über Leitung 10 ausgetragenen Feststoffes.

Im als Wirbelkühler ausgebildeten Abhitzekessel 11 wird dem aus dem Abscheider 6 des Wirbelschichtreaktors 1 austretenden Abgas weitere fühlbare Wärme entnommen. Im Elektrofilter 12 erfolgt die Feinreinigung des Abgases. Dabei anfallender Feststoff wird über Leitung 15 mit dem über Leitung 10 abgeführten Feststoff vereinigt und dem Wirbelkühler 14 zugeleitet. Der Wirbelkühler 14, der vier nacheinander durch flossene Kammern aufweist, wird mit über Leitung 16 herangeführtem sauerstoffhaltigem Gas fluidisiert. Das Gas sammelt sich in der Haube und wird über Leitung 2 dem Wirbelschichtreaktor 1 als Sekundärgas zugeführt. In den Kühlregistern 13 erfolgt mit dem über Leitung 17 herangeführten, eventuell sauerstoffhaltigen Gas eine indirekte Kühlung der Feststoffe. Das aus den Kühlregistern 13 austretende Gas dient dem Wirbelschichtreaktor 1 bis auf einen Teilstrom als Fluidisierungsgas, das über Leitung 8 eingeleitet wird. Der abgezweigte Teilstrom wird zum pneumatischen Eintrag des kohlenstoffhaltigen Materials über die Lanze 7 herangezogen.

Beispiel 1 (mit Bezug auf F i g. 1)

Es wurde Kohle mit Luft verbrannt Hierzu diente ein Wirbelschichtreaktor 1 mit einer Grundfläche von lxlm und 12 m Höhe. Der Reaktor war an der gesamten Wandung mit 60 m² Kühlfläche 4 ausgestattet.

so Außerdem befanden sich im Reaktorraum oberhalb der Sekundärgaszuführung 2 ebene senkrechte Kühlflächen 3 mit weiteren 27 m² Kühlfläche. Die Brennstofflanze 7 befand sich 0,2 m und die Sekundärgaszuführung 2 2,5 m über dem Rost

Ober Lanze 7 wurden 1 t/h Kohle mit einem Heizwert von H_a = 30,0 MJ/kg und einem mittleren Korndurchmesser von 0,1 mm mittels 150 m³/h Luft pneumatisch eingetragen. Durch den Rost wurden 4000 m³/h Luft mit 300⁰C und über Leitung 24300 mVh Luft mit 300⁰C dem Wirbelschichtreaktor 1 zugeführt Die mittlere Suspensionsdichte im unterhalb der Sekundärgaszuführung 2 befindlichen Reaktorraum betrug 300 kg/m³, im darüber liegenden Raum 50 kg/m³. Die Temperatur im gesamten Zirkulationssystem lag bei 850⁰C Die Verbrennungs rückstände wurden in der Abscheidevorrichtung 6 vom Abgas abgetrennt und in den Wirbelschichtreaktor 1 zurückgeführt Ein Teilstrom wurde bei 10 abgeführt Er wurde derart bemessen, daß pro Zeiteinheit fünfmal so

viel Rückstände zurückgeführt wurden, als Feststoff im Wirbelschichtreaktor vorhanden war.

Unter den genannten Verfahrensbedingungen wurden Wärmedurchgangszahlen von 120 Watt/m² grd. erreicht. Von'der insgesamt zugeführten Wärmemenge von 9,2 · 10⁶ Watt wurden 5,8 · ΙΟ⁶ Watt zur Erzeugung von Sattdan.pf mit 60 bar über die Kühlflächen abgeführt. Die Brennstoffausnutzung betrug 99%, der CO-Gehalt im Abgas war <0,l%.

Beispiel 2 (mit Bezug auf Fig. 1)

Es wurde Kohle mit mit Sauerstoff angereicherter Luft verbrannt. Hierzu dieme der in Beispiel 1 beschriebene Wirbelschichtreaktor 1, wobei die im oberen Reaktorraum befindlichen Kühlflächen auf 37 m² vergrößert worden waren. Außerdem waren im Abscheider 6 zusätzliche 15 m² Kühlflächen an den Wänden installiert.

Bei Vollastbetrieb wurden 2,7 t/h Kohle (H₁₁ - 30,0 MJ/kg) mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,1 mm mittels 300 mVh sauerstoffhaltigem Gas mit 60 Vol.-% Sauerstoff von 300⁰C pneumatisch eingetragen. Dem Wirbelschichtreaktor .1 wurden durch den Rost 4700 mVh sauerstoffhaltiges Gas mit 60 Vol.-% Sauerstoff und mit 300° C und über Leitung 2 weitere 3100 mVh sauerstoffhaltiges Gas mit ebenfalls 60 Vol.-% Sauerstoff und 300° C zugeführt. Die Suspensionsdichte betrug im unterhalb der Sekundärgaszuführung 2 befindlichen Reaktorraum etwa 300 kg/m³, im oberen Reaktorraum war die mittlere Suspensionsdichte etwa 90 kg/m³. Die Temperatur lag im gesamten Zirkulationssystem bei 850⁰C Von den im Abscheider 6 aus den Abgasen abgetrennten Feststoffen wurde soviel in den Wirbelschichtreaktor 1 zurückgeführt, daß der Feststoffrückiauf das Achtfache des Reaktorinhaits ausmachte. Der Rest wurde über Leitung 10 ausgetragen.

Unter diesen Bedingungen wurden Wärmedurchgangszahlen von 290 Watt/m² grd. erreicht Von der insgesamt zugeführten Wärmemenge von 23,4 · 10⁶ Watt wurden 18,7 · 10⁶ Watt zur Erzeugung von Sattdampf mit 60 bar über Kühlflächen abgeführt

Infolge eines verringerten Leistungsbedarfs sollte die Anlage auf ein Drittel der Dampfproduktion zurückgefahren werden.

Ohne eine Veränderung am Wirbelschichtreaktor 1 und den installierten Kühlflächen 4 und 5 wurde der Kohleeintrag auf 0,9 t/h zurückgenommen. Zum Eintrag über Lanze 7 dienten 100 m³ Luft Die Fluidisierungs- und Sekundärgasmengen (unveränderter Beschaffenheit) wurden auf 400 bzw. 2200 m³/h reduziert..

Unter den vorgenannten Bedingungen erhöhte sich die Feststoffkonzentration im unteren Reaktorraum auf etwa 530 kg/m³ und reduzierte sich die Feststoffkonzentration im oberen Reaktorraum auf etwa 30 kg/m³. Die Wärmedurchgangszahlen verringerten sich auf 100 Watt/m² grd.

Es konnte mithin allein durch Veränderung der Kohleeinspeisung und der Fluidisierungsgas- sowie Sekundärgasdosierung eine Anpassung an den Leistungsbedarf erreicht werden. Der Feststoffinhalt im gesamten Wirbelschichtreaktor und die Temperatur von 850⁰C ± 10 im Zirkulationssystem blieben unverändert

Ein Hochfahren auf erhöhte Leistung oder auf Vollast war innerhalb kürzester Zeit möglich.

Beispiel 3 (mit Bezug auf F i g. 1)

Es wurde Heizöl mit Luft bei erhöhtem Druck

verbrannt Hierzu diente der in Beispiel 1 beschriebene Wirbelschichtreaktor 1 der insgesamt mit 132 m² Kühlfläche ausgestaltet war. Davon befanden sich 60 m² an den Wänden des Reaktorraumes, 25 m² an den Wänden des Abscheiders 6 und 47 m² im freien, Ober der

to Sekundärgasleitung 2 befindlichen Reaktorraum. Eine ausreichende Menge Kalkstein als Bettmaterial befand sich im Wirbelschichtreaktor.

Über Lanze 7 wurden 1,5 t/h Heizöl miit einem Heizwert von 402 MJ/kg und einem Gehalt von 3,2 Gew.-% S eingetragen. Außerdem wurden pro Stunrfe 278 kg Kalkstein (ca. 97 Gew.-% CaCO₃) mit einem mittleren Korndurchmesser von ca. 0,1 bis 02 mm als Bettmaterial und als Schwefelbindemittel, entsprechend einem Mol verhältnis von 1,8 Mol CaO pro Mol im Heizöl enthaltenem Schwefel, mit 50 m³ Luft pneumatisch eindosiert

Durch den Rost wurden 10 500 m³/h und durch die Sekundärgasleitung 2 7000 m³/h Luft jeweils mit einem Druck von 5 bar und einer Temperatur von 300⁰C eingeleitet Im Zirkulationssystem stellt sich eine Temperatur von 850⁰C ein. Feststoff entnahme über Leitung 10 und Feststoffrückführung über Leitung 9 waren derart bemessen, daß die rückgeführte Menge etwa das Achtfache des im Wirbelschichtreaktor befindlichen Feststoffes ausmachte.

Unter diesen Betriebsbedingungen stellten sich mittlere Suspensionsdichten von 300 kg/m³ im Reaktorraum unterhalb der Sekundärgasleitung 2 bzw. 60 kg/m³ im Reaktorraum oberhalb der Sekundärgasleitung 2 ein.

Die Wärmedurchgangszahlen lagen bei 150 Watt/m² grd. Von der insgesamt zugeführten Wärmemenge von 18,6 · 10« Watt wurden 11,4 · 10⁶ Watt zur Erzeugung von Sattdampf mit 60 bar über die aus Rohren gebildeten Kühlflächen ausgenutzt

Die Brennstoffausnutzung betrug 99%. Der CO-Gehalt im Abgas lag unter 0,1 VoL-%, der NOx-Gehalt unter 100 ppm. Es wurde ein Entschwefelungsgrad von 90% erzielt

Beispiel 4

(mit Bezug auf Fig. 3)

Es wurden Kohlewaschberge mit mit Sauerstoff angereicherter Luft verbrannt Hierzu diente der in Beispiel 1 beschriebene Wirbelschichtreaktor 1, der an der Wandung 60 m², im oberen Reaktorraum 58 m² und im Abscheider 6 25 m² Kühlfläche besaß.

Ober Lanze 7 wurden 9,1 t/h Kohlewaschberge mit einem Aschegehalt von 67 Gew.-%, einem Gehalt an Brennbarem von 30 Gew.-%, einer Feuchte von 3 Gew.-%, einer mittleren Korngröße von 0,08 mm und einem Heizwert von 8,4 MJ/kg unter Verwendung von 1000 m³/h Fördergas mit 60 Vol.-% Sauerstoff und 450° C eingetragen. Durch den Rost wurden 4000 mVh Fluidisierungsgas und durch die Leitung 2 2700 m³/h Sekundärgas — jeweils mit 60 VoL-% Sauerstoff und 450° C— eingeführt

Die mittlere Suspensionsdichte unterhalb der Sekundärgaszuführung 2 lag bei etwa 250 kg/m³, oberhalb der

Sekundärgaszuführung 2 bei etwa 70 kg/m³.

Die Ascherückführung war derart bemessen, daß pro Zeiteinheit das Zehnfache des Reaktorinhaitet, zurückgeführt wurde. Der restliche Teil wurde über Leitung 10

ausgetragen. Die Temperatur irh gesamten Zirkulationssystem lag bei etwa 850⁰C.

Der heiße, unbrennbare, über Leitung 10 ausgetragene Rückstand wurde einem Wirbelkühler 14 aufgegeben, der vier Kammern und verbundene, in die einzelnen Kammern eintauchende Kühlregister 13 aufwies. Es dienten als Fluidisierungsgas 2700 mVh Gas mit 60 Vol.-% Sauerstoffund als indirektes Kühlmittel 5000 mVh Gas gleicher Beschaffenheit, die sich jeweils auf 450° C aufheizten und dem Wirbelschichtreaktor 1 als

Sekundärgas bzw. als Fluidisierungsgas bzw. als Fördergas zugeführt wurden.

Der unbrennbare Rückstand wurde aus dem Wirbelkühler 14 mit einer Temperatur von 15O⁰C ausgetragen. Unter diesen Bedingungen wurden Wärmeuurchgangszahlen von 200 Watt/m² grd. erreicht. Von der insgesamt zugeführten Wärmemenge von 22,6 · 10* Watt wurden 16,6 · 10⁶ Watt zur Erzeugung von Sattdampf mit 60 bar über die Kühlflächen abgeführt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur nahstöchiometrischen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Materialien in einem Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender Wirbelschicht unter Abführung von Verbrennungswärme durch Kühlflächen im Reaktorraum und Entnahme von Feststoffen aus dem aus Wirbelschichtreaktor, Abscheider und Rückführleitung gebildeten Zirkulationssystem, dadurch gekennzeichnet, daß man