DE2618291A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen eines heissen gases - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erzeugen eines heissen gases

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Description

BROSE0•K" BROSE Karl A. DfVZ1NCC! D.Karl ΒΓ^"\ΟΓϋ D'P|om
Ingenieure
D-8023 München-Pullach, Wioner Sir. 2; Tel. (089) 7 93 30 71; "•"elex 521'ί147 bros d; Cables: «Patentibus» München
^eichen: 3591GER Tag.
COAL INDUSTRY (PATENTS) LIMITED, Hobart House, Grosvenor Place, London, SWlX 7 AE/England
Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines heißen Gases
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines heißen Gases.
Die Erfindung betrifft insbesondere die Erzeugung eines von Verunreinigung freien oder im wesentlichen freien heißen Gases durch die Verbrennung eines Brennstoffs in einer Wirbelschicht.
Ein bekanntes Verfahren zur Hexßgaserzeugung umfaßt die Verwendung einer Wirbelschicht, in der Brennstoff zum Erzeugen von Wärme verbrannt wird, und umfaßt die Anordnung einer Wärmeaustauschrohrleitung innerhalb der Wirbelschicht, wobei das zu erhitzende Gas durch die Rohrleitung zum Wärmeaustausch geleitet wird. Dieses Verfahren wurde wegen des zwischen der Wirbelschicht und der Rohrleitung erzielbaren
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hohen Wärmeübergangskoeffizienten verwendet. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß der Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Rohrleitung und dem durch diese hindurchströmenden Gas verhältnismäßig niedrig ist. Der Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Rohrleitung und dem Gas kann durch Erhöhen des Drucks verbessert werden. Dies hat jedoch in einigen Anwendungsfällen den Nachteil höherer laufender Kosten.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines verbesserten Verfahrens zum Erzeugen eines im wesentlichen von Verunreinigung freien Gases durch Anwenden einer Wirbelschicht.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens»...
Gemäß einen; ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen eines heißen Gases vorgesehen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bilden einer ersten Wirbelschicht aus teilchenförmigen! Material, Verbrennen von Brennstoff in der ersten Wirbelschicht zum Erzeugen von i Wärme, Bilden einer zweiten Wirbelschicht aus teilchenförmigem Material, Leiten von zu erhitzendem Gas durch die zweite Wirbelschicht, und Umwälzen von wärmeleitendem Material zwischen der ersten und der zweiten Wirbelschicht zum Erhitzen der zweiten Wirbelschicht, um zum Erzeugen eines heißen Gases Wärme auf das durch die zweite Wirbelschicht hindurchtretende Gas zu übertragen.
Es kann eine Zwischenwirbelschicht gebildet werden, die als fiilfsverbrennungszone dient für jeglichen von der ersten Wirbelschicht aus umgewälzten unverbrannten Brennstoff, um sicherzustellen, daß kein brennbares Material zur zweiten Wirbelschicht gelangt, um hierdurch eine Verunreinigung des zu erhitzenden Gases zu verhindern.
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Beim Verfahren nach der Erfindung werden das Wirbelmedium für die erste Wirbelschicht und die aus der ersten Wirbelschicht austretenden gasförmigen Verbrennungsprodukte von dem zu erhitzenden Gas völlig getrennt gehalten.
Die gasförmigen Verbrennungsprodukte aus der ersten Wirbelschicht und gegebenenfalls der Zwischenwirbelschicht befinden sich auf einer erhöhten Temperatur und können vorteilhaft zu einer Wärmerückgewinnungszone geleitet werden. Die diesen Produkten entnommene Wärme kann zum Vorwärmen des zu erhitzenden Gases verwendet werden vor dessen Durchtritt durch die zweite Wirbelschicht und/oder zum Vorwärmen des Wirbelmediums für die erste Wirbelschicht oder für die erste Wirbelschicht und gegebenenfalls die Zwischenwirbelschicht. Wahlweise kann die diesen gasförmigen Produkten entnommene Wärme zum Erzeugen von Dampf oder einen anderen gesonderten Vorgang verwendet weraen.
Der Brennstoff kann ein Feststoff, eine Flüssigkeit ode*' ein Gas sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines heißen Gases vorgesehen, wobei die Vorrichtung folgendes enthält: ein Generatorgehäuse, das eine erste Wirbelschicht-Verbrennungszone mit einem Brennstoffeinlaß enthält, einen Wirbelmediumeinlaß und einen Gasauslaß für die erste Zone, eine zweite Wirbelschicht-Erhitzungszohe, einen Gaseinlaß und einen Gasauslaß für die zweite Zone, und eine Einrichtung zum Umwälzen von Material zwischen der ersten und der zweiten Zone.
Im Gehäuse kann zwischen der ersten und der zweiten Zone eine zwischenliegende Wirbelschicht-Verbrennungszone vorgesehen sein.
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Im Gehäuse kann ein weiterer Wirbelmediumeinlaß für die Zwischenzone angeordnet sein.
Die Einrichtung zum Umwälzen von Wirbelschichtmaterial kann für gewöhnlich Kanäle oder Öffnungen enthalten, die die erste Zone mit der zweiten Zone verbinden. Wenn eine Zwischenzone vorgesehen ist, ist eine zusätzliche Einrichtung zum Umwälzen zwischen der ersten Zone und der Zwischenzone und zwischen der Zwischenzone und der zweiten Zone vorgesehen. Die Umwälzung von Wirbelschichtmaterial kann eingeleitet und verändert werden durch Anwenden unterschiedlicher Wirbelgeschwindigkeiten in den Zonen, durch Anwendung von Gasdüsen zum Leiten des Stroms von Feststoffen oder durch irgendeine andere Einrichtung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der einzigen Figur beschrieben.
Die Vorrichtung zum Erzeugen eines heißen Gases ist insgesamt bei 1 angegeben und enthält ein innen in drei Zonen unterteiltes Generatorgehäuse 2. Eine erste Zone 4 ist eine Verbrennungszone und weist einen gasdurchlässigen Rost 6 zum Tragen einer Wirbelschicht 8 aus teilchenförmigen! Material auf. Ein nicht gezeigter Brennstoffeinlaß steht mit der Zone 4 in Verbindung und ist in der Wand 12 des Generatorgehäuses 2 oberhalb des Rosts 6 angeordnet. Zwischen dem Rost 6 und einem Unterteil 14 des Generatorgehäuses 2 ist ein Speicherraum 16 begrenzt, der mit einem Wirbelmediumeinlaß 18 versehen ist.
Eine zwischenliegende Verbrennungszone 20 ist angrenzend an die Zone 4 angeordnet und hiervon durch eine Wand 22 abgeteilt. Die Zone 20 weist einen gasdurchlässigen Rost 24 auf zum Tragen einer Wirbelschicht 26 aus teilchenförmigen! Material. Unterhalb des Rosts 24 befindet sich ein Speicher-
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raum 28 mit einem Wirbelmediumeinlaß 30. Die Wand 22 weist zwei Öffnungen 32, 34 auf. Die öffnung 32 ist zum unteren Teil der Viand hin angeordnet, während die Öffnung 34 in Nähe der Oberflächen der Wirbelschichten 8 und 26 nach oben versetzt angeordnet ist. Diese Öffnungen 32, 34 sehen somit eine Verbindung zwischen den Zonen 4 und 20 vor und bilden eine Einrichtung zum Umwälzen des ilaterials der beiden Wirbelschichten .
Angrenzend an die Zwischenzone 20 ist im Generatorgehäuse 2 eine Erhitzungszone 40 vorgesehen, die von der Zwischenzone 20 durch eine Wand 42 getrennt ist. Die Erhitzungszone weist einen gasdurchlässigen Rost 44 auf, der im Betrieb eine Wirbelschicht 46 aus teilchenförmigen! Material trägt. Ein Speicherraum 48 ist unterhalb des Rosts 44 zwischen dem Unterteil 14 des Generatorgehäuses 2 und dem Rost 44 angeordnet. Für den Speicherraum 48 ist ein Gaseinlaß 50 vorgesehen. Die Wand 42 weist zwei Öffnungen 52, 54 auf, die in ähnlicher Weise v/ie die öffnungen 32, 34 der Wand 22 angeordnet siad.
Das Generatorgehäuse 2 weist zwei Gasauslässe 60, 62 auf. Der Gasauslaß 60 steht mit der Zone 4 und der Zone 20 in Verbindung, während der Gasauslaß 62 nur mit der Zone 40 in Verbindung steht.
Im Betrieb wird die Wirbelschicht 8 durchwirbelt durch die Aufwärtsströmung eines Wirbelmediums, z.B. Luft, das durch den Einlaß 18 zum Speicherraum 16 und von da aus durch den Rost 16 geliefert wird. Brennstoff, der eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Feststoff, z.B. Kohle, sein kann, wird in die Wirbelschicht 8 eingeführt und wird innerhalb dieser Wirbelschicht in der Zone 4 zum Erhitzen der Wirbelschicht verbrannt. Ein Wirbelmedium, z.B. Luft, wird durch den Einlaß in den Speicherraum 28 geleitet und gelangt von da aus durch den Rost 24 zum Durchwirbeln der Wirbelschicht 26 in die
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Zone 20. Zum Erhitzen der Wirbelschicht 26 wird das Material zwischen den Wirbelschichten 8 und 26 durch die Öffnungen 32 und 34 in der durch die Pfeile in der Zeichnung dargestellten Weise umgewälzt. Auf diese Weise steigt die Temperatur des Materials, aus dem die Wirbelschicht 26 zusammengesetzt ist, an und wird ferner noch nicht völlig in der Wirbelschicht 8 verbrannter Brennstoff einer weiteren Verbrennung in der Wirbelschicht 26 unterworfen.
Ein zu erhitzendes Gas wird durch den Einlaß 50 in die Kammer 48 eingeführt und gelangt aufwärts durch den Rost 44 zum Durchwirbeln der Wirbelschicht 46 in die Zone 40. Die Wirbelschicht 46 wird durch die Umwälzung des Materials zwischen den Wirbelschichten 26 und 46 erhitzt. Diese Um~ wälzung wird durch Öffnungen 52, 54 in der durch die Pfeileangegebenen Weise bewirkt.
Heißes Wirbelschichtmaterial aus der Zone 4 wird somit zur Zone 40 umgewälzt über die Zwischenzone 40, in der jegliqher von der Wirbelschicht 8 zur Wirbelschicht 26 gelangender unverbrannter Brennstoff völlig verbrannt wird. Das schließlich zur Wirbelschicht 26 der Zone 40 umgewälzte heiße Material ist somit frei von jeglichem Stoff, der eine Verunreinigung des durch die Zone 40 strömenden Gases verursachen könnte. Diese Verunreinigung könnte z.B. die Erzeugung eines Verbrennungsgases sein durch die Verbrennung von nur teilweise in der Zone 4 verbranntem Brennstoff, falls die Zwischenzone nicht vorgesehen wäre.
Das reine heiße Gas wird daher in der Zone 40 erzeugt und tritt durch den Gasauslaß 62 aus. Die aus den Zonen 4 und 20 stammenden gasförmigen Produkte vereinigen sich und strömen durch den Auslaß 60, von wo aus sie zu einem nicht gezeigten Wärmetauscher geleitet werden können, um das durch die Zone 40 zu leitende Gas vorzuwärmen. Diese Produkte können wahlweise oder zusätzlich verwendet werden zum Vorwärmen des
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für die Zonen 4 und 2O verwendeten Wirbelmediuras. Als weitere Alternative können die gasförmigen Verbrennungsprodukte zum Erzeugen von Dampf oder für einen anderen Erhitzungsvorgang verwendet werden.
Zum Verbessern des Wärmeübergangs zwischen den Zonen 4, und 40 können durch die Wände 22 und 42 Heizrohre vorgesehen sein.
Die Vorrichtung wird bei einem Druck betrieben, der sich für die beabsichtigte Verwendung des heißen Gases eignet. Somit wird die Vorrichtung zur Lieferung eines heißen Gases für industrielle Heizzwecke bei einem geringfügig über dem Atmosphärendruck liegenden Druck betrieben. Zur Lieferung eines Gases für eine Expansion durch eine Gasturbine zur Energieerzeugung wird die Vorrichtung bei einem Druck von einigen Atmosphären, z.B. 5 bis 20 Atmosphären, betrieben. In diesen oder anderen Anwendungen, bei denen das erzeugte heiße Gas Verbrennungsprodukte und eine niedrige Teilchfenkonzentration enthalten kann, kann die Zwischenzone 20 weggelassen werden, so daß die Teilchen unmittelbar zwischen den Zonen 4 und 40 zirkulieren. Die aus der Verbrennungszone stammenden Verbrennungsgase können auch durch Vorrichtungen, z.B. Zyklone, zum Entfernen von Teilchen geleitet und dann mit dem erzeugten heißen Gas gemischt werden.
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Claims (14)

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen eines heißen Gases einschließlich dem Bilden einer ersten Wirbelschicht aus teilchenförmigem Material und dem Verbrennen von Brennstoff in der ersten Wirbelschicht zum Erzeugen von Wärme, gekennzeichnet durch Bilden einer zweiten Wirbelschicht aus teilchenförmigem Material, durch Leiten des zu erhitzenden Gases durch die zweite Wirbelschicht, und durch Umwälzen von wärmeleitendem Material zwischen der ersten und der zweiten Wirbelschicht zum Erhitzen der zweiten Wirbelschicht, um zum Erzeugen eines heißen Gases Wärme auf das durch die zweite Wirbelschicht hindurchtretende Gas zu übertragen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Wirbelschicht und der zweiten Wirbelschicht eine Zwischenwirbelschicht angeordnet wird, und daß zwischen der ersten Wirbelschicht und der zweiten Wirbelschicht über die Zwischenwirbelschicht wärmeleitendes Material umgewälzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirbelmedium für die erste Wirbelschicht und die aus der ersten Wirbelschicht austretenden gasförmigen Verbrennungsprodukte von dem zu erhitzenden Gas getrennt gehalten werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzung des wärmeleitenden Materials verändert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzung des wärmeleitenden Materials verändert wird
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durch Verändern der Wirbelgeschwindigkeit in den Wirbelschichten.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmigen Verbrennungsprodukte aus der ersten Wirbelschicht zu einer Wärmerückgewinnungszone geleitet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 3 bis 5
in Abhängigkeit von Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Zwischenwirbelschicht austretenden gasförmigen Produkte zu einer Wärmerückgewinnungszone geleitet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Wärme, die den gasförmigen Produkten in der Wärmerückgewinnungszone entnommen wird, zum Vorwärmen des zu erhitzenden Gases verwendet wird vor dessen Durchtritt durch die zweite Wirbelschicht. »■
9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Wärme, die den gasförmigen Produkten in der Wärmerückgewinnungszone entnommen wird, zum Vorwärmen des Wirbelmediums für die erste Wirbelschicht und/oder für die Zwischenwirbelschicht verwendet wird.
10. Vorrichtung zum Erzeugen eines heißen Gases mit einem Generatorgehäuse, mit einer ersten Wirbelschichtverbrennungszone mit einem Brennstoffeinlaß, mit einem Wirbelmediumeinlaß und mit einem Gasauslaß für die erste Zone, gekennzeichnet durch eine zweite Wirbelschichterhitzungszone (40), durch einen Gaseinlaß (50), durch einen Gasauslaß (62) und durch eine Einrichtung (32, 34, 52, 54) zum Umwälzen von Material zwischen der ersten Zone (4) und der zweiten Zone (40).
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11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine zwischen der ersten Zone (4) und der zweiten Zone (40)
angeordnete zwischenliegende Wirbelschichtverbrennungszone (20) .
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet, daß für die zwischenliegende Wirbelschichtverbrennungszone
(20) ein Wirbelmediumeinlaß (30) vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Umwälzen von
Wirbelschichtmaterial die Zonen (4, 20; 20, 40) verbindende Kanäle oder Öffnungen (32, 34; 52, 54) aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche. 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Umwälzen von
Wirbelschichtinaterial Gasdüsen zum Leiten der Materialströmung aufweist.
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