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Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines heißen Gases Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines heißen Gases.
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Die Erfindung betrifft insbesondere die Erzeugung eines von Verunreinigung
freien oder im wesentlichen freien heißen Gases durch die Verbrennung von Brennstoff
in einer Wirbelschicht.
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Ein bekanntes Verfahren zur eeißgaserzeugung umfaßt die Verwendung
einer Wirbelschicht, in der zum Erzeugen von Wärme Brennstoff verbrannt wird, und
umfaßt die Anordnung einer Wärmeaustauschrohrleitung innerhalb der Wirbelschicht,
wobei das zu erhitzende Gas für den Wärmeaustausch durch die Rohrleitung geleitet
wird. Dieses Verfahren wurde wegen des zwischen der Wirbelschicht und der Rohrleitung
erzielbaren
hohen Wärmeübergangskoeffizienten verwendet.
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Es hat sich jedoch herausgestellt, daß der Wärmeübergangskoeffizient
zwischen der Rohrleitung und dem durch diese hinaurchströmenden Gas verhältnismäßig
niedrig ist. Dies ist besonders dann der Fall, wenn das zu erhitzende Gas bei Atmosphärendruck
durch die Rohrleitung geleitet wird.
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Der Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Rohrleitung una dem Gas
kann durch Erhöhen des Drucks verbessert werden. Dies hat jedoch in einigen Anwendungsfällen
den Nachteil höherer laufender Kosten.
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Lin Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines
verbesserten Verfahrens zum Erzeugen eines im wesentlichen von Verunreinigung freien
heißen Gases durch Anwenden einer Wirbelschicht.
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Lin weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen
eines heißen Gases vorgesehen, das die folgenen Schritte aufweist: bilden einer
ersten Wirbelschicht aus teilchenförmigem Material, Erzeugung von Warme durch einen
in der ersten ;irbelschicht verbrannten Erennstoff, Anordnen einer zweiten Wirbelschicht
aus teilchenförmigern Material angrenzend an die erste Wirbelschickt una in Wärmeaustausch
hiermit, und Leiten eines zu erhitzenden Gases durch die zweite Wirbelschicht, um
zum Erzeugen eines heißen Gases die zweite Wirbelschicht zu aurchwirbeln und Wärme
von cer ersten Wirbel schicht aufzunehmen.
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beim Verfahren nach der Erfinc1ung werden das Wirbelmedium für die
erste Wirbelschicht und die aus der ersten Wirbelschicht austretenden Verbrennuncrsprodukte
vom zu erhitzenden
Gas völlig getrennt gehalten. Dies gewährleistet,
daß im wesentlichen keine Verunreinigung des heißen Gases stattfindet.
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Die gasförmigen Verbrennungsprodukte aus der ersten Wirbelschicht
befinden sich auf einer erhöhten Temperatur und können vorteilhaft zu einer Wärmerückgewinnungszone
geleitet werden. Die diesen Produkten entnommene Wärme kann verwendet werden zum
Vorwärmen des zu erhitzenden Gases vor dessen Durchtritt durch die zweite Wirbelschicht
und/oder zum Erwärmen des Wirbelmediums für die erste Wirbelschicht. Wahlweise kann
die diesen gasförmigen Verbrennungsprodukten entnommene Wärme zum Erzeugen von Dampf
oder für einen anderen gesonderten Vorgang verwendet werden.
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Das die zweite Wirbelschicht umfassende Material kann vorzugsweise
ein dichtes Material sein, d.h. Stahl- oder Kupferschrot, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid,
Zirkonoxid, da die Anwendung eines dichten Materials die Verwendungs von feinen
Teiichen bei hoher Wirbelgeschwindigkeit ermöglicht, was einen maximalen Wärmeübergang
mit hohem Ausstoß ergibt.
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Der Brennstoff kann ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas sein.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum
Erzeugen eines heißen Gases vorgesehen, wobei die Vorrichtung folgendes enthält:
ein Generatorgehäuse, das eine Wirbelschichtverbrennungszone enthält, eine Wirbelschichterhitzungszone
angrenzend an die Verbrennungszone und eine Wärmeaustauscheinrichtung, die sich
zwischen den Verbrennungs- und Erhitzungszonen erstreckt, wobei das Generatorgehäuse
einen Wirbelmediumeinlaß und einen Brennstoffeinlaß für die Verbrennungszone und
einen gesonderten
Einlaß für das zu erhitzende Gas für die Erhitzungszone
enthält.
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Die Wärmeaustauscheinrichtung kann eine zwischen den Verbrennungs-
und Erhitzungszonen angeordnete Grenzwand umfassen, durch die im Betrieb Wärme von
der Verbrennungszone zur Erhitzungszone übertragen werden soll. Die Wärmeaustauschfläche
kann durch Rippen erweitert werden. Die Wärmeaustauscheinrichtung kann wahlweise
oder zusätzlich Ileizrohre enthalten, deren heiße Enden sich in der Verbrennungszone
und deren gekühlte Enden sich in der Erhitzungszone befinden. Die Wärmeaustauscheinrichtung
besteht für gewöhnlich aus Metall, kann jedoch aus Keramikmaterial bestehen, wenn
ein Gas mit sehr hoher Temperatur erzeugt wird.
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Die Verbrennungszone und die Erhitzungszone können einen rechteckigen
und aneinandergrenzend angeordneten Querschnitt haben.
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Wahlweise können diese Zonen einen kreisförmigen Querschnitt haben,
wobei die Verbrennungszone einen größeren Durchmesser aufweist und um die Erhitzungszone
herum angeordnet ist, oder umgekehrt.
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Wahlweise kann eine Vielzahl von Wärmeübergangsschichten innerhalb
von Rohren vorgesehen sein, die beispielsweise einen Durcimlesser von 5,1 bis 30,5
cm aufweisen und sich senkrecht durch die Verbrennungsschicht erstrecken.
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Es werden zwei Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zum Erzeugen
eines heißen Gases und ein Verfahren zum Erzeugen eines heißen Gases anhand der
Zeichnung beschrieben. Darin zeigt: Fig. 1 eine Seitenansicht im Schnitt einer ersten
Ausfülirungs forn;;
Fig. 2 eine Seitenansicht im Schnitt einer zweiten
Ausführungsform; Fig. 3 eine erste Draufsicht von Fig. 2; Fig. 4 eine wahlweise
zweite Draufsicht von Fig. 2.
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In Fig. 1 enthält eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum
Erzeugen eines heißen Gases ein Generatorgehäuse 2 mit einer Verbrennungszone 4
und einer Erhitzungszone 6, die durch eine gemeinsame wärmeleitende Wand 8 aus Metall
voneinancier getrennt sind.
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Die Verbrennungszone 4 weist eine gasdurchlässige Abstützung 10 auf,
unter der sich ein Speicherraum 11 und ein Einlaß 12 für ein Wirbelmediuir befindet.
Uber der Abstützunq 10 befindet sich ein Brennstoffeinlaß 14, während sich an der
Oberseite der Verbrennungszone 4 ein Auslaß 16 für gasförmige Verbrennungsprodukte
befindet.
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Die Erhitzungszone 6 weist eine gasdurcillässicre Abstützung 18 auf,
aie zusammen mit dem Unterteil 20 des Generatorgehäuses 2 einen Speicherraum 22
mit einem Gaseinlaß 24 begrenzt. Im Oberteil der Erhitzungszone 6 ist über der Abstützung
18 ein Heißgasauslaß 26 vorgesehen.
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Im trieb der Ausführungsform von Fig. 1 wird in der Verbrennungszone
4 eine erste tirbelschicht 30 aus teilchenförmigem Material durch die Aufwärts strömung
eines Wirbelmeaiums, z.U. Luft, durch den Speicherraum 11 und die Abstützung 10
gebildet, während zum Erzeugen von Alarme Brennstoff in die erste Wirbelschicht
zur Verbrennung eingeführt wird. In der Erhitzungszone 6 wird eine zweite Wirbelschicht
32 gebildet, während ein zu erhitzenues Gas durch den Speicherraum 22 und die Abstützung
18 geleitet
wird. Das Gas tritt durch die zweite Wirbelschicht 32
hindurch und durchwirbelt diese. Gleichzeitig wird in der Verbrennungszone 4 befindliche
und durch Verbrennung in der ersten Wirbelschicht 30 erzeugte Wärme durch die wärmeleitende
Wand 8 zur Wirbelschicht in der Erhitzungszone 6 geleitet, durch die das Gas strömt.
Der Wirbelschicht 32 wird die Wärme durch das Gas entnommen, während heißes Gas
aus dem Oberteil der Wirbelschicht mit der Temperatur der Wirbelschicht austritt.
Das so erzeugte Gas tritt durch einen Auslaß 26 im Oberteil der Erhitzungszone 6
aus und kann für jede geeignete Anwendung benützt werden. Die Temperatur des heißen
Gases hängt von den bedingungen in der Wirbelschicht 30 der Verbrennungszone 4 ab,
wobei die Größe des Wärmeübergangs durch die Wand und der Strömungsdurchsatz des
zu erhitzenden Gases entsprechend verändert werden können.
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Die aus der Verbrennungszone 4 austretenden gasförmigen Verbrennungsprodukte
treten durch den Auslaß 16 aus und können in einer Wärmerückgewinnungseinheit verwendet
werden.
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Diese Einheit kann die Vorwärmung des in der Erhitzungszone 6 zu erhitzenden
Gases vor dessen Einführung in diese Zone ausführen. Zusätzlich oder wahlweise kann
die Wärmerückgewinnungseinheit zum Vorwärmen des Wirbelmediums für die Verbrennungszone
verwendet werden. Als weitere Alternative kann die Wärmerückgewinnungseinheit das
Erzeugen von Dampf umfassen.
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Um den Wirkungsgrad des Wärmeübergangs zwischen der Verb rennungszone
4 und der Erhitzungszone 6 zu verbessern, können an der Wand Rippen befestigt sein
oder können nicht gezeigte lieizrohre verwendet werden, deren heiße Enden in die
Wirbelschicht 30 und deren kühlende Enden in die Wirbelschicht 32 eingetaucht sind.
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Das in der Erhitzungszone 6 zu erhitzende Gas kann bei
Atmosphärendruck
oder Überdruck durch diese Zone geleitet werden. Die Verbrennungszone 4 kann auch
bei atmosphärischem Druck oder Überdruck betrieben werden und wird für gewöhnlich
bei einem Druck betrieben, der demjenigen in der Erhitzungszone ähnlich ist. Die
Vorrichtung ermöglicht jedoch die Erzeugung eines heißen sauberen Gases bei Überdruck
durch eine bei Atmosphärendruck erfolgende Verbrennung.
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In Fig. 2 weist eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zum Erzeugen
eines heißen Gases ein Generatorgehäuse 102 mit einer Verbrennungszone 104 und mit
einer gasdurchlässigen Abstützung 110 auf, die zusammen mit einer Rohrplatte 109
einen Speicherraum lll begrenzt, mit dem ein Einlaß 114 für ein Wirbelmedium in
Verbindung steht. Im Generatorgehäuse 102 ist eine weitere Rohrplatte 113 angeordnet,
während ein Auslaß 116 für gasförmige Verbrennungsprodukte angrenzend an die Rohrplatte
113 zwischen dieser und der Abstützung 110 vorgesehen ist.
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Die Rohrplatte 109, 113 tragen zwischen sich eine Vielzahl von rohrförmigen
Gliedern 115 aus wärmeleitendem Material und bilden zusammen eine Erhitzungszone
106. Jedes Glied 115 weist eine darin angeordnete gasdurchlässige Abstützung 118
auf. Zwischen der Rohrplatte 109 und einem Unterteil 123 des Generatorgehäuses 102
ist ein Speicherraum 122 für die Erhitzungszone 106 vorgesehen. Im Generatorgehäuse
102 ist ein mit dem Speicherraum 122 in Verbindung stehender Gaseinlaß 124 vorgesehen.
Zwischen der Rohrplatte 113 und dem Oberteil 127 des Generatorgehäuses 102 ist ein
Heißgassammelrohr 125 ausgebildet, das zu einem Heißgasauslaß 126 führt. Gemäß der
in Fig. 3 gezeigten Draufsicht ist das Generatorgehäuse 102 zylindrisch, während
die rohrförmigen Glieder 115 kreisförmigen Querschnitt haben. Die wahlweise Draufsicht
von Fig. 4 zeigt das Generatorgehäuse 102 und die rohrförmigen Glieder 115 mit rechteckigem
Querschnitt.
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Der Betrieb beider geometrischer Formen des Generatorgehäuses ist
derselbe.
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Im Betrieb wird innerhalb der Verbrennungszone 104 des Generatorgehäuses
102 eine erste Wirbelschicht 130 gebildet, währena in jedem rohrförmigen Glied 115
zweite Wirbelschichten 132 gebildet werden.
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Ein Wirbelmedium, z.B. Luft, wird über den Einlaß 114, den Speicherraum
111 und die Abstützung 110 der ersten Wirbelschicht 130 zugeführt, um diese zu durchwirbeln,
während durch einen nicht gezeigten Einlaß Brennstoff zur Verbrennung in der Wirbelschicht
130 zugeführt wird. In die Erhitzungszone 106, d.h. in die'rohrförmigen Glieder
115, wird durch den Gaseinlaß 124, den Speicherraum 122 und die Abstützung 118 ein
Gas eingeführt. Das Gas durchwirbelt die zweiten Wirbel schichten 132 in den Gliedern
115 und nimmt gleichzeitig durch die Wände der Glieder 115 von der Verbrennungszone
104 Wärme auf. Das resultierende heiße Gas strömt 4 durch die Glieder 115 zum Heißgassammelrohr
125 aufwärts und tritt durch den Auslaß 126 aus. Die gasförmigen Verbrennungsprodukte
strömen von der Verbrennungszone 104 zum Auslaß 116. Diese Produkte können in derselben
Weise wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben verwendet werden.
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Das zu erhitzende Gas kann wie bei der ersten Ausführungsform bei
atmosphärischem Druck oder bei Überdruck durch die Erhitzungszone 106 geleitet werden.
Die Verbrennungszone 104 kann ebenfalls bei atmosphärischem Druck oder bei über
druck betrieben werden.
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Um den Wärmeübergang zwischen den Zonen zu verbessern, können die
Glieder 115 entweder innen oder außen mit Rippen versehen werden, die einen Teil
der durch die Wände der Glieder gebildeten Wärmeaustauscheinrichtung darstellen.
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Das bei beiden Ausführungsformen erzeugte heiße Gas ist im wesentlichen
frei von Verunreinigung, da die Verbrennungs- und Erhitzungsfunktionen völlig getrennt
gehalten werden.
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Das so erzeugte heiße Gas kann sich, da es im wesentlichen rein ist,
zur Expansion durch eine Turbine für die Energieerzeugung eignen.
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Das zu erhitzende Gas kann Luft sein.
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Wenn sowohl die Verbrennungszone als auch die Erhitzungszone bei Überdruck
betrieben werden, können die gasförmigen Verbrennungsprodukte nach der Reinigung
mit dem heißen reinen Gas, z.B. Luft, gemischt werden, zur Lieferung eines sich
für eine Gasturbine eignenden Gases.