DE2605886A1

DE2605886A1 - Verfahren und vorrichtung zur mindestens teilweisen verbrennung von brennstoffen

Info

Publication number: DE2605886A1
Application number: DE19762605886
Authority: DE
Inventors: Gerald Moss
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1975-02-14
Filing date: 1976-02-13
Publication date: 1976-08-26
Also published as: US4085707A; JPS51106244A; CA1030816A; GB1542862A

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAIR

PATENTANWÄLTE

8 MÜNCHEN 86, POSTFACH 86 0245 26 0 5 8 8 6

Anwaltsakte 26 8*19 13. Februar 1976

Exxon Research and Engineering Company, Linden, New Jersey, USA

Verfahren und Vorrichtung zur mindestens teilweisen Verbrennung von Brennstoffen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbrennung oder zur teilweisen Verbrennung von Brennstoffen in einer Wirbelschicht bzw. einem Fließbett.

Wirbelschichten oder Fließbetten werden bevorzugt für die teilweise oder vollständige Verbrennung von Brennstoffen bei gewissen Anwendungszwecken eingesetzt, wobei die die Teilchen umfassende Schicht seitlich durch die Wände eines sie umschließenden Gefäßes festgelegt und oberhalb einer Unterlage gehalten wird, wobei die Teilchen mit Hilfe eines aufwärts strömenden, Sauerstoff-enthaltenden Gases (z. B. Luft) aufgewirbelt werden und der Brennstoff zur vollständigen oder teilweisen Verbrennung

* (089) 98 8272 8 München 80, Mauerkirchersttaße 45 Banken: Bayerische Vereinsbank München 453100

987043 Telegramme: BERGSTAPFPATENT München Hypo-Bank München 3892623

98 3310 TELEX: 05 24 560 BERG d Postscheck München 653 43 - 808

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ORIGSNAi- INSPfcCTED

in die Schicht eingeführt wird.

In gewissen Fällen ist die Steuerung der Temperatur in der Schicht erwünscht, um eine ausgewählte Schichttemperatur oder einen ausgewählten Temperaturbereich aufrechtzuerhalten, oder um die nützliche Verbrennungswärme des Brennstoffs für Anwendungszwecke, beispielsweise die Bereitung von Dampf_ff abzuführen. Beispielsweise kann bei der vollständigen Verbrennung eines Brennstoffs die Wärmeentwicklung lokal in unerwünscht hohem Ausmaße erfolgen, so daß die Teilchen sich zusammenballen oder miteinander und/oder mit Materialien aus dem Brennstoff (beispielsweise Asche, wenn es sich bei dem Brennstoff um Kohle oder ein ähnliches kohlenstoffhaltiges Material handelt) zusammensintern, wodurch die Verwirbelung innerhalb der Schicht beeinträchtigt wird. Wenn die Teilchen chemisch aktiv sind und beispielsweise durch eine chemische Reaktion Schwefel aus dem Brennstoff absorbieren und/oder binden _s können hohe Temperaturen die chemische Reaktivität der Teilchen und/ oder die Stabilität der damit gebildeten Schwefelverbindungen nachteilig beeinflussen. Diese Probleme verstärken sich dann, wenn in der Schicht Wärmeübertragungsoberflächen, beispielsweise in Form von Wärmeaustauscherröhren, zur Bildung von Dampf oder zur thermischen Behandlung von Verfahrensausgangsmaterialien, wie Dampfcracker-Beschickungen, angeordnet sind, da die Wärmeübertragungsoberflächen den Aufwärtstransport und die Abwärtsr rückführung der Teilchen in der Schicht stören und beeinträchtigen, so daß sich unterhalb der Wärmeübertragungsoberfläche Be-

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reiche mit extrem heißen Teilchen bilden. Wenn dies eintritt, ergibt sich das zusätzliche Risiko einer Beschädigung der Wärmeübertragungsoberflächen -

Obwohl die angesprochenen Nachteile insbesondere bei einer vollständigen Verbrennung auftreten, können sie auch bei einer teilweisen Verbrennung des Brennstoffs in einer Wirbelschicht sich ergeben, wobei mindestens einige der Probleme zunehmend an Bedeutung gewinnen, wenn die Verbrennung oder die teilweise Verbrennung in der Wirbelschicht unter erhöhtem Druck erfolgt, da die Verbrennungsintensität oder die Wärmefreisetzung pro Einheitsvolumen der Schicht mit zunehmendem Betriebsdruck zunimmt. Vom Standpunkt der Wirksamkeit der Wärmeübertragung von der Schicht auf ein die Wärme aufnehmendes Fluid, das in Kontakt mit den Wärmeübertragungsoberflächen bewegt wird, ist eine gesteigerte Verbrennungsintensität von Vorteil. Weiterhin kann die Gesamtgröße der Vorrichtung mindestens in einem gewissen Ausmaß durch Arbeiten bei erhöhtem Druck vermindert werden. Wenn in der Schicht Wärmeübertragungsoberflächen angeordnet werden, ist es aus konstruktiven und betriebstechnischen Gründen von Vorteil, eine relativ tiefe Schicht anzuwenden, in der die Wärmeübertragungsoberflächen in Form von "Schichten" übereinander angeordnet sind (beispielsweise in Form einer Rohrschlange, wenn die Oberflächen durch ein Rohr gebildet werden, durch das ein Fluid strömt).

Eine solche Anordnung erleichtert die Anpassung der Verbrennungsintensität an die Fläche der Wärmeübertragungsoberfläche;

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die genannten Probleme der vollständigen oder teilweisen Verbrennung in der Wirbelschicht werden jedoch durch die Behinderung der Aufwärtsbewegung und Abwärtsbewegung der aufgewirbelten Teilchen in der Schicht durch die vertikal angeordneten Wärmeübertragungsoberflächen verstärkt- Wie bereits erwähnt verschärfen sich die Probleme in zunehmendem Ausmaß mit der Erhöhung des Betriebsdrucks der Schicht.

Erfindungsgemäß werden die genann... ^n Nachteile und Probleme dadurch gelöst, daß man sicherstellt, daß der Brennstoff während des Betriebs relativ gleichmäßig in der Schicht verteilt oder dispergiert wird, so daß die Verbrennung oder die teilweise Verbrennung der gesamten Schicht gleichmäßiger abläuft.

Gemäß einer anderen Ausführungsform werden die Teilchen über eine Förderleitung von einem Bereich einer Schicht von aufgewirbelten Teilchen zu einem zweiten Bereich der Schicht überführt, wobei der Brennstoff vorzugsweise oder geeigneterweise zuvor oder beim Eintreten in den zweiten Bereich der Schicht mit den Teilchen vermischt und in der Schicht mindestens teilweise verbrannt wird.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur mindestens teilweisen Verbrennung von Brennstoff in einer Schicht aus aufgewirbelten oder verwirbelten Teilchen, die ein Gefäß, das ein Volumen definiert, das in mindestens einem Teil des Volumens eine Schicht aus verwirbelbaren oder aufv^rbelbaren Teilchen aufnimmt, eine Überführungsleitung, die sich zwischen einem Teil dieses Bereichs und einem zweiten Teil dieses Bereichs erstreckt und eine Einrichtung umfaßt, mit der Brennstoff in den

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- 5 zweiten Bereich der Schicht eingeführt wird.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur mindestens teilweisen Verbrennung eines Brennstoffs bei erhöhter Temperatur in einer Schicht, die Teilchen enthält, welche durch ein aufwärts· strömendes Gas aufgewirbelt werden, das in der Lage ist, den Brem stoff bei der erhöhten Temperatur mindestens teilweise in gasförmige Verbrennungsprodukte umzuwandeln, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine den Brennstoff und aufwirbelbare teilchenförmige Feststoffe enthaltende Mischung in den unteren Bereich der ■Schicht eingeführt wird, so daß der Brennstoff, wenn er sich in eier Schicht befindet, mindestens zwischen den teilchenförmigen /astscoffen verteilt wird, wodurch die Umwandlung des Brennstoffs in einem ausgedehnten Bereich des Schichtvolumens erfolgt, lind daß das Austreten von Teilchen aus dem oberen Bereich der Schicht bewirkt oder ermöglicht wird, so daß die Oberseite der üoliichfc auf einem im wesentlichen etwa konstanten Niveau gehal- :.-i'Lx und eine allgemein aufwärtsgerichtete Bewegung von Teilchen ;-rtd anderen Materialien in der Schicht gefördert werden.

Mindestens einige der Teilchen, die den oberen Bereich der Schichi verlassen, können als teilchenförmige Feststoffe in der Mischung aus dem Brennstoff und den teilchenförmigen Feststoffen verwendet A-örden. Die teilchenförmigen Feststoffe können aus Teilchen aus 5em oberen Bereich der Schicht bestehen.

vorzugsweise werden die aus dem oberen Bereich der Schicht austretenden Teilchen in das obere Ende einer Rohrleitung einge-

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führt, die sie mit einer Fülldichte bzw. Schüttdichte ausfüllen, die größer ist als die Fülldichte bzw. Schüttdichte der Schicht. Die Mischung aus dem Brennstoff und den Feststoffen wird bevorzugt pneumatisch mit Hilfe eines pneumatischen Förder- oder Transport-Gases von der Rohrleitung in den unteren Bereich der Schicht überführt oder gefördert, wobei man dieses Gas auch dazu verxvenden kann, den Brennstoff mit den Teilchen zu vermischen.

Die in der Schicht freigesetzte Wärme kann mit Hilfe von Wärmeübertragungsoberflächen abgeführt werden, die in der Schicht oberhalb des unteren Bereiches und unterhalb des oberen Bereiches der Schicht angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich dazu kann nan die Wärme mit Hilfe von Wärmeübertragungsoberflächen abführen₇ die mit Teilchen in Berührung stehen, die aus dem oberen bereich der Schicht ausgetreten sind, d. h. mit Wärmeübertragimgsoberflächen, die in der Rohrleitung angeordnet sind.

Ois Teilchen können Koks umfassen. Wenn es erwünscht ist, einen schwefelhaltigen Brennstoff vollständig oder teilweise unter Bildung von im wesentlichen schwefelfreien gasförmigen Produkten zu verbrennen, können die Teilchen Erdalkalimetalloxide (s„ B. CaO) enthalten.

Die teilweise oder vollständige Verbrennung wird vorzugsweise bei erhöhten Drücken durchgeführt.

Die Teilchen können Alkalimetallverbindungen enthalten, insbesondere, wenn der Brennstoff durch Vergasen mit Dampf und einem

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BAD ORIGINAL

sauerstoffhaltigen Gas in ein wasserstoffreiches oder methanreiches Produkt umgewandelt werden soll. Die Schichttemperatur kann in dem Bereich von 800 bis 1500⁰C liegen.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur mindestens teilweisen Verbrennung eines Brennstoffs bei erhöhter Temperatur in einer Schicht aus aufwirbelbaren oder verwirbelbaren Teilchen, die gekennzeichnet ist durch

ein Gefäß, das in einem ausgewählten Teil seines Volumens die Schicht aufnimmt;

einen Gasverteiler zur im wesentlichen gleichmäßigen Verteilung eines aufwirbelnden oder verwirbelnden Gases über den horizontalen Querschnitt der Unterseite des genannten Volumens; eine oberhalb der Oberseite des Volumens angeordnete Leitung, über welche das aus dem Volumen austretende Gas das Gefäß verlassen kann;

mindestens ein Rohr mit einem für den oberen Bereich des Schichtvolumens offenen oberen Ende und einem für den unteren Bereich des Schichtvolumens offenen unteren Ende, das eine Verbindung zwischen den oberen und unteren Bereichen der Schicht ermöglicht, wobei das Rohr so konstruiert und/oder angeordnet ist, daß im wesentlichen kein verwirbelndes Gas in es eindringt,und daß Teilchen in das obere Ende des -Rohrs eintreten und es mit einer Fülldichte ausfüllen, die größer ist als die Fülldichte der Schicht;

und eine BrennstoffZuführungseinrichtung zum Vermischen des Brennstoffs mit den die Rohrleitung ausfüllenden Teilchen und zum Einführen der Mischung aus dem Brennstoff und den Teilchen über das untere Ende der Rohrleitung in das Schichtvolumen.

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Vorzugsweise umfaßt die Rohrleitung einen im wesentlichen vertikalen Abschnitt zwischen dem oberen und dem unteren Ende, der außerhalb des Gefäßes verläuft.

Gemäß bevorzugten Ausführungsformen werden die Teilchen derart ausgewählt, daß sie in der Lage sind,Elemente zu absorbieren und/oder zu binden, deren Anwesenheit entweder in elementarer oder in chemisch gebundener Form in den die Schicht verlassenden Gasen nicht erwünscht ist. Beispielsweise können die Teilchen mindestens ein Erdalkalimetalloxid oder einen sie durch thermische Behandlung ergebenden Vorläufer, wie ein Erdalkalimetallcarbonat, umfassen, so daß der Schwefel des Brennstoffs durch chemische Reaktion damit gebunden wird. Die Teilchen können alternativ oder zusätzlich ein inertes Material, wie Asche und/ oder Sand und/oder einen Katalysator, der die teilweise oder vollständige Verbrennung und möglicherweise andere chemische Reaktionen fördert, enthalten.

Die überführende Rohrleitung kann innerhalb oder außerhalb des Gefäßes angeordnet sein, wobei die letztere Ausführungsform im allgemeinen bevorzugt ist. Durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen kann der Brennstoff in "verdünnter" Form in die Wirbelschicht eingeführt werden, wobei als Verdünnungsmittel die aus der überführenden Rohrleitung zugeführten Teilchen dienen.

Vorzugsweise erstreckt sich die überführende Rohrleitung von dem oberen Bereich der Schicht zu einem unteren Bereich der Schicht, wobei vorzugsweise in jenem Fall, wo sich innerhalb

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des Bereiches des Gefäßvoltunens, der während des Betriebes mit der Wirbelschicht ausgefüllt wird, Wärmeübertragungsoberflächen befinden, sich der eine Teil des Bereiches oberhalb des Niveaus der Oberseite der Wärmeübertragungsoberflächen und der zweite Teil sich unterhalb des Niveaus des Unterseite der Wärmeübertragungsoberflächen befindet.

Die Erfindung ist vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, für die teilweise oder vollständige Verbrennung unter überatmosphärischen Drücken (beispielsweise 3 bis 50 Atmosphären, vorzugsweise 8 bis 16 Atmosphären) geeignet. Man kann irgendeinen Brennstoff einsetzen, wobei, da die Nachteile eines Betriebes bei hohem Druck im Fall von festen Brennstoffen besonders groß sind, sich besondere Vorteile dann ergeben, wenn das erfindungsgemäße Verfahren mit festen Brennstoffen durchgeführt wird.

Weitere Ausführungsformen, Gegenstände und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 in teilweise schematischer Darstellung einen vertikalen Querschnitt durch die wesentlichen Teile der Vorrichtung, die zur teilweisen oder vollständigen Verbrennung eines Brennstoffs in einer Schicht aus aufgewirbelten oder verwirbelten Teilchen bei überatmosphärischem Druck, beispielsweise einem Druck von 10 Atmosphären oder dgl.,

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verwendet wird;

Fig. 2 in schematischer Weise einen vertikalen Querschnitt durch ein Gefäß, das für die teilweise oder vollständige Verbrennung eines Brennstoffs eingesetzt wird;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Anordnung von Wärmeübertragungsoberflachen; und

Fig. 4 in schematischer Ansicht einen vertikalen Querschnitt eines Teils eines weiteren Gefäßes für die teilweise oder vollständige Verbrennung eines Brennstoffs.

Bezugnehmend auf die Fig. 1 umfaßt die Vorrichtung ein druckbeständiges Gefäß 11 mit einem relativ üblichen Aufbau, das einen zylindrischen Hauptabschnitt 12 umfaßt, dessen Achse im wesentlichen vertikal angeordnet ist, wobei die axialen Enden des Gefäßes 11 mit einem konkav gewölbten unteren Deckel 13 und einem konkav gewölbten oberen Deckel 14 verschlossen sind, die entweder angeschweißt oder über Flansche mittels Schrauben an Flanschen an den Enden des Hauptabschnitts 12 des Gefäßes 11 befestigt sind.

Der untere Deckel ist mit einer Lufteinlaßleitung 15 versehen, über die Luft aus einer geeigneten Quelle, beispielsweise einem mit Hilfe des Motors M angetriebenen Luftkompressor A mit im wesentlichen dem Betriebsdruck des Gefäßes 11 in das Gefäß 11 einge-

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führt wird, wobei zwischen dem unteren Deckel und dem Hauptabschnitt .12 des Gefäßes ein Gasverteiler 16 angeordnet ist, der die Luft im wesentlichen gleichmäßig über den Querschnitt des Hauptabschnitts 12 in das Innere des Hauptabschnitts 12 einführt. Der Verteiler 16 definiert die unterste Stelle einer Schicht 17 aus verwirbelbaren Teilchen, die zur Seite hin von dem Hauptabschnitt 12 des Gefäßes begrenzt wird. Die durch den Verteiler tretende Luft wird mit einer Geschwindigkeit zugeführt, die dazu ausreicht, die Teilchen der Schicht 17 zu verwirbeln, wobei die Wirbelschicht 17 eine Dicke von bis zu 12,2 m (40 feet), ζ. B. von etwa 4,6 m (15 feet) aufweisen kann, während der Durchmesser des Gefäßes sich von 0,30 m bis 6,1 m (1 bis 20 feet) erstrecken und etwa 1,5m (5 feet) betragen kann.

In der Schicht 17 sind Wärmeübertragungsoberflächen in Form von (schematisch dargestellten) Wärmeaustauscherröhren 18 angeordnet. Bei praktischen Ausführungsformen handelt es sich bei den Wärmeaustauscherröhren 18 vorzugsweise um vertikale Wärmeaustauscherröhren. Unabhängig von der Form der Röhren 18 erstrecken sie sich zur maximalen Ausnutzung des Raums innerhalb der Schicht 17 derart in der Schicht, daß sie einen erheblichen Teil des Schichtvolumens besetzen, damit sie während des Betriebes eine Wärmemenge aufnehmen und abführen können, die so groß wie praktisch möglich oder notwendig ist." Es versteht sich, daß die Störung des Aufwärtstransports der verwirbelten Teilchen von den unteren Bereichen der Schicht 17 und der abwärts gerichteten Rückführung der Teilchen von den oberen Bereichen der Schicht 17 um so mehr gestört wird, um so größer das durch die Röhren 18 besetzte Vo-

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lumen ist.

Der Brennstoff wird unterhalb der Wärmeübertragungsröhren und üblicherweise in einem geringen Abstand oberhalb des Verteilers 16, z. B. in einem Abstand von 15 cm bis 91 cm (6 inches bis 3 feet) (ζ. B. etwa 31 cm (12 inches)} oberhalb des Verteilers in die Schicht 17 eingeführt. Der Brennstoff verbrennt im Kontakt mit der Luft in einem Ausmaß, das durch das relative Brennstoff/ Luft-Verhältnis bestimmt wird, wobei die Verbrennungswärme von den in der Schicht enthaltenen Teilchen aufgenommen wird. Es ist festzuhalten, daß, wenn der Brennstoff, wie bislang beschrieben, direkt in die Schicht eingeführt würde, die durch die Wärmeaustauscherröhren 18 verursachte Störung der Teilchenzirkulation die Verbrennung überwiegend auf den unteren Bereich der Schicht 17 beschränken würde, wodurch die Wirksamkeit der Ausnützung der Wärmeaustauscherröhrenoberflächen als Ganzes vermindert würde (da die Oberflächen in der Nähe der Oberseite der Schicht nur eine geringe Menge der Wärme aufnehmen) und Verbrennungsintensitäten verursacht würden, die ein solches Ausmaß erreichen können, daß es ein Sintern und/oder ein Zusammenballen der Teilchen (was zu einer teilweisen Entwirbelung der Schicht und möglicherweise zu einem Verstopfen des Verteilers 16 führen kann) und eine Schädigung der untersten Wärmeaustauscherröhren nach sich ziehen könnte. Das Risiko des Sinterns und Zusammenballens wird um so größer, wenn es sich bei dem Brennstoff um ein Material handelt, das erhebliche Mengen Asche enthält (beispielsweise Kohle).

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Zur Verbesserung der Förderung bzw. Umschichtung von Masse und Wärme innerhalb der Schicht umfaßt die Vorrichtung 10 mindestens ein Fallrohr 19 (von denen nur eines gezeigt ist), das sich von einem oberen Bereich oder von der Nähe* der Oberseite der Schicht 17 oberhalb der Wärmeaustauscherröhren 18 bis zu einem unteren Bereich oder bis in die Nähe der Unterseite der Schicht unterhalb der Wärmeaustauscher 18 oberhalb des Verteilers erstreckt. Das Fallrohr 19 liegt vorzugsweise außerhalb des Hauptabschnitts des Gefäßes, obwohl es alternativ oder zusätzlich auch innerhalb des Gefäßes verlaufen kann. Das Rohr ist so konstruiert bzw. angeordnet, daß im wesentlichen kein in dem Gefäß 12 aufwärtsströmendes Gas in das Fallrohr 19 eintreten kann, so daß die in dieses Rohr eindringenden Feststoffe nicht in merklichem Ausmaß aufgewirbelt werden und das Rohr mit einer relativ hohen Fülldichte bzw. Schüttdichte ausfüllen. Als Ergebnis der höheren Fülldichte der Feststoffe in dem Fallrohr, verglichen mit der Fülldichte der aufgewirbelten Feststoffe in der Schicht 17, erfolgt, wenn das Fallrohr 19 derart ausgelegt ist, daß der darin auftretende Reibungswiderstand genügend niedrig ist, eine automatische Abwärtsbewegung der Teilchen durch das Fallrohr 19. Wenn der Reibungswiderstand nicht niedrig genug ist, kann die Feststoffströmung durch das Rohr vorzugsweise dadurch gefördert werden, daß man ein Gas (beispielsweise Luft oder Abgas) intermittierend oder ständig in den unteren horizontalen Abschnitt des Fallrohrs 19 in Richtung auf das Innere der Schicht einbläst, so daß die Teilchen pneumatisch aus dem unteren Bereich des Fallrohrs in die Schicht 17 überführt werden. Aufgrund

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dieses abwärts gerichteten. Teilchenstroms in dem Fallrohr 19 wird ein entsprechender Aufwärtsstrom der Teilchen in. der Schicht 17 begünstigt _r wodurch die Probleme der gestörten Teilchenbewegung in der Schicht 17 gemildert werden.

Geeigneterwexse kann man den Brennstoff (beispielsweise Kohle— teilchen) in Form einer Mischung mit den in dieser Weise pneumatisch geförderten Teilchen in die Schicht 17 einführen. Zu diesem Zwack erstreckt sich ein Brennstoffeinspritzrohr 20 in den unteren, etwa horizontal verlaufenden Bereich des Fallrohrs 19, und zwar gerade innerhalb des Bereiches ,wo es eine knieartige Biegung mit dem vertikalen Teil des Fallrohrs bildet. Die Biegung fördert das Ausfüllen des vertikalen Teils des Fallrohrs 13 mit den Teilchen.

Das Brennstoffexnsprxtzrohr 20 ist mit einer Quelle 21 für Druckluft, die als pneumatisches Förder- oder Transport-Gas dient, und einem Kohleteilchen-enthaltenden Bunker oder anderen Behälter 22 verbunden. Mit Hilfe des durch die Steuereinrichtung gesteuerten Ventils 23 wird die Iiuftströmungsgeschwindigkeit über eine Verbindungsleitung 22 zu dem Rohr 20 gesteuert. Die Verbindinigsleitung 22 umfaßt ein Venturi—Rohr oder eine Düse 25, in dem bzw. der das strömende Gas die pulverförmige Kohle mitreißt. Die pulverförmige Kohle wird zunächst einem üblichen Bunker 26 zugeführt und wird von dort abwärts über eine Leitung 27 und ein geeignetes Luftdruckabsperr system 28 üblicher Konstruktion in einen unter Druck stehenden Bunker 29 überführt. Die konische Unterseite des unter Druck stehenden Bunkers 29

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steht mit einer Leitung 30 in Verbindung, die eine die Kohleförderung regulierende Einrichtung 31, beispielsweise eine Schneckenfördereinrichtung) aufweist und die mit dem Venturi-Rohr 25 derart verbunden ist, daß die intermittierend von der intermittierend geöffneten Reguliereinrichtung 31 nach unten strömende Kohle von der durch das Venturi-Rohr 25 strömenden Luft mitgenommen und pneumatisch weitergefördert wird- Die Kohleteilchen werden beim Verlassen des offenen Endes des Einspritzrohres 20 im unteren Bereich des Fallrohrs 19 mit den Teilchen der Schicht vermischt, worauf der Luftstrom die erhaltene Mischung aus den Kohleteilchen und den Teilchen der Schicht pneumatisch in den unteren Bereich der Schicht 17 überführt bzw. transportiert. Das Ventil 23 kann alternativ derart 'durch die Steuereinrichtung 24 gesteuert werden, daß es sich intermittierend öffnet, so daß die Mischung aus Kohle und den Teilchen der Schicht intermittierend pneumatisch in die Schicht gefördert oder überführt wird.

In dem Maß, in dem die Teilchen aus dem unteren Ende des Fallrohrs 19 austreten, bewegen sich die das Fallrohr ausfüllenden Teilchen abwärts und es treten Teilchen aus dem oberen Bereich der Schicht 17 in das obere Ende des Fallrohrs ein. Aus den vorstehenden Erläuterungen ist ersichtlich, daß der Betrieb der Vorrichtung in der beschriebenen Weise eine Aufwärtsbewegung der Teilchen in der Schicht 17 begünstigt bzw. fördert.

Die in die Schicht eingeführte Kohle wird in Form einer Mischung mit den aus dem Fallrohr 19 zugeführten Teilchen dispergiert oder

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verteilt, wodurch die Intensität der Verbrennung vermindert wird im Vergleich zu der Verbrenmmgs intensität, die sich einstellen würde, wenn man die Kolileteilchen nicht in dieser Weise verteilen bzw. dispergieren würde» Demzufolge wird das Risiko einer Beschädigung der Wärmeaustauscherröhren 18 durch eine übermäßige Hitzeeinwirkung vermindert.

Die Anordnung der Wärmeaustauscherröhren 18 innerhalb der Schicht 17 stört die Zirkulation der Teilchen der Schicht, so daß in Abwesenheit anderer Einflüsse die Hauptzone der Verbrennung relativ weit unten in der Schicht liegen würde (d. h. zwischen dem Niveau des unteren Endes des Fallrohrs 19 und"den unteren Wärmeaustauscherröhren, so daß die letzteren in starkem Ausmaß den eine Wärmeercsion verursachenden Bedingungen ausgesetzt sind, während die oberen Wärmeaustauscherröhren 18 in unzureichendem Maße ausgenützt würden). Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt jedoch die geförderte Aufwärtsströmung des Materials der Schicht zusammen mit der Dispersion der eintretenden Kohleteilchen eine glexchmäßigere Verbrennungsintensität in vertikaler Richtung in der Schicht sicher, und es wird eine wirksamere Ausnützung der Oberflächen der Wärmeaustauscherröhren möglich.

Die Geschwindigkeit der abwärts gerichteten Bewegung der Teilchen in dem Fallrohr 19 ist innerhalb gewisser Grenzen durch die Geschwindigkeit der pneumatischen Überführung der Teilchen aus dem unteren Bereich des Fallrohrs 19 steuerbar. Da die sich ergebende Geschwindigkeit der aufwärts gerichteten Strömung der

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Teilchen in der Schicht 17 von der Geschwindigkeit der Teilchenströmung in dem Fallrohr 19 abhängt, kann auch die Nettogeschwindigkeit der aufwärtsgerxchteten Teilchenströmung in der Schicht 17 gesteuert werden.

Die der Teilchenströmung zur Verfügung stehende Querschnittsfläche des Fallrohrs 19 muß keinen großen Anteil der Querschnittsfläche des Gefäßes ausmachen, es sei denn, daß es erwünscht ist, der aufwärtsgerxchteten Strömung der Teilchen in der Schicht eine relativ hohe Geschwindigkeit zu erteilen. Zur Sicherstellung einer angemessenen Verteilung der in die Schicht 17 eintretenden Kohleteilchen soll die Querschnittsfläche des Fallrohrs 19 6 % der Querschnittsfläche des Gefäßes 12 nicht übersteigen, wobei in gewissen Fällen eine Querschnittsfläche angemessen ist, die 2 bis 4 %, z. B. etwa 3 % der Querschnittsfläche des Gefäßes 12 beträgt.

Die aus der Schicht 17 austretenden Gase verlassen das Gefäß 12 über eine Leitung 33 und werden mit Hilfe eines Zyklons 34 von sämtlichen Feststoffen, mit Ausnahme der feineren Feststoffe, befreit. Zur Bildung eines brennbaren gasförmigen Produkts sollte der Sauerstoffgehalt des mit Hilfe des Kompressors A zugeführten verdichteten Gases für eine vollständige Verbrennung der Kohle nicht ausreichen, wobei man zur Bildung eines wasserstoffhaltigen brennbaren Gasproduktes dem über die Leitung 15 eintretenden Gas Dampf zumischen kann. Die Umwandlung der Kohle zu Wasserstoff-und Methan-enthaltenden Gasen kann man dadurch fördern, daß man geeignete Katalysatoren, wie Erdalkalimetallver-

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bindungen, in die Teilchen der Schicht einarbeitet.

Wenn die-Teilchen der Schicht Erdalkalimetalloxide, wie CaO, enthalten, wird der aus dem Brennstoff stammende Schwefel entweder als CaSO₄ gebunden, wenn die Schicht unter Wärme-bildenden Bedingungen betrieben wird, wobei das erhaltene Abgas im wesentlichen schwefelfrei ist, oder in Form von CaS gebunden, wenn die Schicht unter Bedingungen betrieben wird, bei der ein brennbares oder reduzierendes oder Methan-enthaltendes Gas gebildet wird, wobei das letztere im wesentlichen frei von Schwefel ist. Die Aktivität der Schicht 17 zur Bindung des aus dem Brennstoff gebildeten Schwefels kann durch Zugabe von frischen CaO-enthaltenden Teilchen oder eines Vorläufers dafür, wie Kalkstein oder Dolomit, aufrechterhalten werden. Zur Aufrechterhaltung einer konstanten Materialmenge in der Schicht 17 muß eine Menge der Teilchen entnommen werden, die der Menge der zugesetzten frischen Teilchen äquivalent ist.

Dadurch, daß hohe lokale VerbrennungsIntensitäten vermieden werden, wird die chemische Reaktivität der CaO-haltigen Teilchen aufrechterhalten.

In der Fig. 2 ist ein Gefäß 112 dargestellt, das mit einer Vielzahl von Fallrohren 119 ausgerüstet ist, die vorzugsweise symmetrisch angeordnet sind und von denen zwei wiedergegeben sind. Der Brennstoff wird über die Leitungen 120 in den unteren Bereich der Fallrohre eingeführt und dort mit den die Fallrohre ausfüllenden Teilchen der Schicht vermischt, wonach die Brennstoff/Teilchen-Mischung pneumatisch in die Wirbelschicht 117

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überführt wird und sich relativ gleichmäßig darin verteilt. Die Schicht 117 wird oberhalb eines Verteilers 116 gehalten, der der Schicht 117 ein sauerstoffhaltiges aufwirbelndes und umwandelndes Gas zuführt.

Das in der Fig. 2 dargestellte Gefäß 112 arbeitet ebenso wie das in der Fig. 1 wiedergegebene, wobei es die Anordnung einer Vielzahl von Fallrohren ermöglicht in der Schicht 117 eine größere aufwärtsgerichtete Teilchenströmungsgeschwindigkeit herbeizuführen und eine relativ größere Menge des Brennstoffs umzuwandeln (d. h. teilweise oder vollständig zu verbrennen). Wenn das Gefäß 112 einen relativ großen Durchmesser besitzt, kann es von Vorteil sein, eine Vielzahl von Fallrohren anzuordnen, die eine gute Brennstoffverteilung in der Schicht sicherstellen.

In dem oder den Fallrohren 19 oder 119 der Fig. 1 und 2 können Wärmeaustauscheroberflächen zusätzlich zu den oder anstelle der Wärmeaustauscherröhren 18 angeordnet werden, die in der Fig. 1 gezeigt sind. Wenn die Wärmeaustauscheroberflächen vollständig in dem oder den Fallrohren enthalten sind, ergibt sich keine Beeinträchtigung der Teilchenbewegung in der Schicht, so daß man gleichmäßigere Bedingungen für die Brennstoffumwandlung erzielen und höhere Schichttemperaturen anwenden kann, die eine Beschädigung der Wärmeaustauscherröhren 18 verursachen könnten. Gemäß einer Ausführungsform, bei der die Wärmeübertragungsoberflächen sich in dem oder den Fallrohren befinden, können die in

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der Schicht vorhandenen Teilchen Koks enthalten, der in der Schicht zu einem Brennstoffgas oder Methan-haltigen Gas umgewandelt wird, wobei der durch das oder die Fallrohre abwärts geführte Koks abgekühlt und mit pulverförmiger Kohle vermischt wird, so daß das flüchtige Material beim Einführen der Koks/Kohle-Mischung in die Schicht von der Kohle freigesetzt wird, wodurch das aus der Schicht austretende Gas angereichert wird, während die Kohle beim Erreichen einer die klebrige Phase begünstigenden Temperatur an dem Koks anhaftet, wodurch die Koksteilchen auf einer im wesentlichen konstanten mittleren Teilchengröße gehalten werden, wodurch das Austreten von umwandelfähigen Materialien aus der Schicht auf einem geringen Wert gehalten wird.

Die Fig. 3 zeigt in schematischer Ansicht ein Fallrohr 219, das mit einem eine Wirbelschicht enthaltenden Gefäß 212 verbunden ist, wobei sich die Wärmeaustauscheroberflächen 213 innerhalb des Fallrohrs befinden.

Die Wärmeaustauscheroberflächai 213 können irgendeine der gutbekannte Formen aufweisen und können in Form von Wärmeaustauscherrohren vorliegen, die mit Lamellen ausgerüstet und vertikal in dem Fallrohr 219 angeordnet sein können und/oder können in Form von üblichen Wassermantelwänden vorliegen (d. h. die Innenwände des Fallrohrs 219 können hohl sein und ein wärmeabführendes Fluid, wie Wasser, enthalten) und/oder in Form von Röhren vorliegen, die sich horizontal durch das Fallrohr erstrekken und vorzugsweise so angeordnet sind, daß die Teilchen, die mit einem horizontalen Rohr in Berührung gekommen sind, mit

Teilchen vermischt werden, die dieses Rohr nicht berührt haben, während die Teilchen sich abwärts bis zu einer der sich anschließenden horizontalen Wärmeübertragungsröhren bewegen. Keine der genannten Anordnungen der Wärmeaustauscheroberflächen in dem oder den Fallrohren ist dargestellt, dürfte jedoch dem Fachmann ohne weiteres geläufig sein.

Die Fig. 5 zeigt ein Fallrohr 319, das mit einem Gefäß 312 verbunden ist, in dem eine Wirbelschicht 317 auf einem Gasverteiler 316 angeordnet ist. über ein Einspritzrohr 320 wird Brennstoff in den unteren Bereich 319a des Fallrohrs 319 eingeführt, während die Teilchen der Schicht aus der Schicht 317 in den oberen Bereich 319b des Fallrohrs 319 eintreten. Zwischen den Bereichen 319a und 319b weist das Fallrohr ein Gefäß 319c auf, daß einen relativ großen Wärmeaustauscher 318 enthält. Das Gefäß 319c kann eine Größe aufweisen, die in der gleichen Größenordnung liegt wie die Größe des Gefäßes 312. Bei dieser Ausfuhrungsform kann das Gefäß 312 ausschließlich als Gefäß für die Brennstoffumwandlung dienen, während das Fallrohr 319 unter anderem dazu verwendet wird, die Wärme abzuführen. Somit ist eine Anordnung, wie sie in der Fig. 4 gezeigt ist, geeignet für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs unter Druck in der Schicht 17, wobei zur Abführung der Wärme der Wärmeaustauscher 318 in dem Gefäß 319c angewandt wird. Das heiße, unter Druck stehende Abgas, das, wenn die Schicht 317 ein Erdalkalimetalloxid (z. B. CaO) enthält, im wesentlichen frei ist von Schwefel, Vanadium und Natrium, kann (nach einer in geeigneter Weise bewirkten

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Entfernung des Staubes) zum Betrieb einer Gasturbine und/oder zur Bildung von Dampf in einer Äbwärmerückgewinnungseinrichtung verwendet werden.

Die in der Schicht 317 aufwärtsgerichtete und die in dem Fallrohr 219 abwärtsgerichtete Strömung der Teilchen wird dadurch gefördert, daß man die Mischung aus den Teilchen und dem zugeführten Brennstoff (aus der Einspritzeinrichtung 320) pneumatisch in die Schicht 317 überführt.

Es versteht sich, daß die oben beschriebenen verschxedenartxgen Fallrohr- und Wärmeaustauscher-Anordnungen in Kombinationen angewandt werden können, die sich von den angegebenen unterscheiden.

Erfindungsgemäß werden als Brennstoffe vorzugsweise Feststoffe, wie Kohle, Halbkohle (semi-coal), Lignit und Torf, eingesetzt, obwohl man auch brennstoffhaltige Feststoffe von halbfesten Materialien, wie Asphalt, Teersande und Teerschiefer verwenden kann.

SQ3S3S/0338

Claims

Patentansprüche

1.) Verfahren zur mindestens teilweisen Verbrennung eines Brennstoffs bei erhöhter Temperatur in einer Schicht, die Teilchen enthält, welche durch ein aufwärtsströmendes Gas aufgewirbelt werden, das in der Lage ist, den Brennstoff bei der erhöhten Temperatur mindestens teilweise in gasförmige Verbrennungsprodukte umzuwandeln, dadurch gekennzeichnet , daß eine den Brennstoff und aufwirbelbare teilchenförmige Feststoffe enthaltende Mischung in den unteren Bereich der Schicht eingeführt wird, so daß der Brennstoff, wenn er sich in der Schicht befindet, mindestens zwischen den teilchenförmigen Feststoffen verteilt wird, wodurch die Umwandlung des Brennstoffs in einem ausgedehnten Bereich des Schichtvolumens erfolgt, und daß das Austreten von Teilchen aus dem oberen Bereich der Schicht bewirkt oder ermöglicht wird, so daß die Oberseite der Schicht auf einem im wesentlichen etwa konstanten Niveau gehalten und eine allgemein aufwärtsgerichtete Bewegung von Teilchen und anderen Materialien in der Schicht gefördert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens einige der den oberen Bereich der Schicht verlassenden Teilchen als teilchenförmige Feststoffe in der Mischung aus dem Brennstoff und den teilchenförmigen Feststoffen verwendet werden.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die den oberen Bereich der Schicht verlassenden Teilchen in den oberen Bereich eines Rohres eingeführt werden, das sie mit einer Fülldichte ausfüllen/ die größer ist als die Fülldichte der Schicht.

4. Verfahren nach Anspruch 3/ dadurch gekennzeichnet, daß man als Brennstoff einen festen oder halbfesten Brennstoff einsetzt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Mischung aus dem Brennstoff und den Feststoffen unter Verwendung eines pneumatischen Förder- oder Transport-Gases pneumatisch aus dem Rohr in den unteren Bereich der Schicht überführt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man den Brennstoff mit den Feststoffen mit Hilfe eines Gases vermischt, das als pneumatisches Förderoder Transport-Gas eingesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die in der Schicht durch die Umwandlung des Brennstoffs freigesetzte Wärme dadurch abführt, daß man die Teilchen mit Wärmeübertragungsoberflächen in Kontakt bringt.

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8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmeübertragungsoberflächen innerhalb der Schicht oberhalb des genannten unteren Bereiches und unterhalb des genannten oberen Bereiches der Schicht angeordnet sind.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsoberflächen mit Teilchen in Berührung gebracht werden, die aus dem oberen Bereich der Schicht ausgetreten sind.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsoberflächen in dem Rohr mit den Teilchen in Kontakt gebracht werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Teilchen Koks enthalten.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß man als Brennstoff einen schwefelhaltigen Brennstoff verwendet.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Teilchen ein Erdalkalimetalloxid enthalten.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Oberseite der Schicht austretende

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gasförmige Produkt im wesentlichen frei ist von Schwefel.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 _r dadurch gekennzeichnet , daß die teilweise oder vollständige Verbrennung unter erhöhtem Druck durchgeführt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 _r dadurch gekennzeichnet _r daß die Teilchen Alkalimetallverbindungen enthalten.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß man ein Dampf-enthaltendes Gas in den unteren Bereich der Schicht einführt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet , daß man die Temperatur der Schicht in einem Bereich von 800 bis 1500⁰C hält.

19. Vorrichtung zur mindestens teilweisen Verbrennung eines Brennstoffs bei erhöhter Temperatur in einer Schicht aus aufwxrbelbaren Teilchen, gekennzeichnet durch.

ein Gefäß (11), das in einem ausgewählten Teil seines Volumens die Schicht (17) aufnimmt;

einen Gasverteiler (16) zur im wesentlichen gleichmäßigen Verteilung eines aufwirbelnden Gases über den horizontalen Querschnitt der Unterseite des genannten Volumens?

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eine oberhalb der Oberseite des Volumens angeordnete Leitung (33), über welche das aus dem Volumen austretende Gas das Gefäß (11) verlassen kann;

mindestens ein Rohr (19) mit einem für den oberen Bereich des Schichtvolumens offenen oberen Ende und einem für den unteren Bereich des Schichtvolumens offenen unteren Ende, das eine Verbindung zwischen den oberen und unteren Bereichen der Schicht (17) ermöglicht, wobei das Rohr (19) so konstruiert und/oder angeordnet ist, daß im wesentlichen kein verwirbelndes Gas in es eindringt, und daß Teilchen in das obere Ende des Rohrs (19) eintreten und es mit einer Fülldichte ausfüllen, die größer ist als die Fülldichte der Schicht;

und eine Brennstoffzuführungseinrxchtung (20 bis 31) zum Vermischen des Brennstoffs mit den die Rohrleitung ausfüllenden Teilchen und zum Einführen der Mischung aus dem Brennstoff und den Teilchen über das untere Ende der Rohrleitung in das Schichtvolumen (Fig. 1).

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennz eichn e t , daß das Rohr zwischen den oberen und den unteren Enden einen im wesentlichen vertikal angeordneten Abschnitt aufweist, der außerhalb des Gefäßes liegt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr einen das untere Ende umfassenden unteren Bereich aufweist, der sich mit einem Winkel von weniger

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als 180°j bezogen auf den im wesentlichen vertikal angeordneten Abschnitt, zu dem Gefäß hin erstreckt, wobei die Brennstoff Zuführungseinrichtung eine Leitung, deren Ende im unteren Bereich des Rohres endet, eine erste Verbindungseinrichtung zum Verbinden dar Leitung mit einer Quelle für das Forderoder Transportgas und eine zweite Verbindungseinrichtung zwischen der ersten Verbindungseinrichtung und dem Ende der Leitung aufweist, die zum Verbinden der Leitung mit der Brennstoff quelle geeignet ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, gekennzeichnet durch Wärmeübertragungsoberflächen, die in dem Volumen der Schicht oberhalb des Niveaus des unteren Endes des Rohres und unterhalb des Niveaus des oberen Endes des Rohres angeordnet sind.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet , daß die maximale Querschnittsfläche des Rohres 6 % der horizontalen Querschnittsfläche des Inneren .des Gefäßes, das das Volumen der Schicht seitlich begrenzt, nicht übersteigt.

24. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr mit Wärmeübertragungsoberflächen ausgerüstet ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeich-

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net, daß die Wärmeübertragungsoberflächen so konstruiert und/oder angeordnet sind, daß sie das Vermischen von Teilchen, die mit den WärmeübertragungsoDerflächen in Kontakt gekommen sind, mit Teilchen, die mit Wärmeübertragungsoberflächen nicht in Berührung gekommen sind, innerhalb des Rohres fördern.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine Vielzahl von Rohren aufweisen, die in Bezug auf das Gefäß symmetrisch angeordnet sind.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet , daß sie mit einer Einrichtung ausgerüstet ist, mit der ein Strom eines Sauerstoffenthaltenden Gases mit erhöhtem Druck dem Gasverteiler zugeführt werden kann.

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