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Verfahren und Vorrichtung zur direkten
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Beheizung eines Wirbelschichtofens Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur direkten Beheizung eines Wirbelschichtofens mit einem flüssigen
Brennstoff mit höherem Siedebereich und geringem verdampfbaren Anteil, vorzugsweise
schweres Heizöl, der mit dem in Teilströmen über den Wirbelschichtofenquerschnitt
verteilten und von unten in die Wirbelschicht eintretenden sauerstoffhaltigen Trägergas
für die Wirbelschicht zugeführt wird.
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Im zunehmenden ICaße werden technische Prozesse in Wirbelschichtöfen
durchgeführt. Bei solchen Prozessen, die endotherm verlaufen, ist die Zufuhr von
Brennstoff in die Wirbelschicht erforderlich.
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Es ist bekannt, Luft, die zugleich Trägergas für die Wirbelschicht
und Sauerstoffträger für die Verbrennung ist, von unten durch einen Schlitzrost
oder durch einen Düsenrost in die Wirbelschicht einzuleiten und Brennstoff mittels
durch den Reaktormantel eingeführter Rohre, sogenannter Lanzen, auf den Reaktorquerschnitt
in geringer Höhe über dem Rost zu verteilen. (GB-PS 9 91-130) Diese Art der Brennstoffzuführung
führt bei geringen Ofenquerschnitten zu einer recht einheitlichen und nahezu vollständigen
Verbrennung innerhalb der Wirbelschicht.
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Bei größeren Ofenquerschnitten kann jedoch der eingeführte Brennstoff
nicht genügend gleichmäßig bis ins Innere der Wirbelschicht verteilt werden. Die
Durchmischung von Luft und Brennstoff wird schlechter und ein Teil der Verbrennung
erfolgt außerhalb der Wirbelschicht in dem darüberliegenden Gasraum. Bei noch größeren
Ofendurchinessern nehmen derartige Nachverbrennungen oberhalb der Wirbelschicht
schließlich überhand.
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Man kann diesen Mängeln zwar dadurch begegnen, daß man an den Brennstoffmündungen
der Lanzen Sekundärluft einführt oder daß man die Wirbelschicht erhöht. Diese Maßnahmen,
die auch gemeinsam angewendet werden können, wirken sich nachteilig in einer Erhöhung
der Gebläseleistung aus und haben zur Folge, daß der Wirbelschichtofen mit beträchtlichem
Luftüberschuß betrieben werden muß und daß der Abwärmeverlust größer wird. Bei Wirbelschichtöfen
mit großen Durchmessern sind auch diese Hilfsmaßnahmen wirkungslos.
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Eine weitere bekannte Vorrichtung zur gleichzeitigen Zuführung von
Wirbelgas und Heizmittel besteht aus einer Verteilerpiatte mit nach oben sich erweiternden
trichterähnlichen Vertiefungen, durch die sowohl Brennstoff als auch Fluidisierungsgas
eingeleitet werden (G3-PS 1087 528).
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Der Nachteil dieser Vorrichtung ist, daß beim Stillstand der Anlage
die Zufuhrleitungen durch Bettmaterial verschlossen werden und, infolge ihrer nach
oben gerichteten Öffnung, die Verbrennung des Brennstoffes zu einem beträchtlichen
Teil oberhalb des Wirbelbettes erfolgt.
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Bei einer anderen bekannten Vorrichtung wird über nach oben geöffnete
schalenförmige Elemente ein brennfähiges Gemisch von Brennstoff und Luft eingeleitet
(US-PS 31 90 627).
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Ein wesentlicher Risikofaktor dieser Äsführungsform ist, daß z. B.
bei zu geringer Gasgeschwindigkeit bereits in den Zuführungsrohren eine Zündung
des Brennstoff/Buft-Gemisches stattfinden kann.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, verwendet man daher bei modernen
Anlagen zur Verbrennung von leichtem Heizöl und Gas in Wirbelschichtöfen eine Vorrichtung
mit zweikanaliger Zuführung für brennstoff- und sauerstoffhaltiges Trägergas mit
zwei von konzentrischen Rohren gebildeten Durchlässen, die in einem Verteilerkopf
vor seitlichen Austrittsöffnungen zur Wirbelschicht in einen Mischraum münden und
die mittels Rohren mit einer Windkammer und einer 3rennstoffhauptleitung, die unter
dem Reaktorrost liegen, verbunden sind, vorsugsweise in der Ausführungsform, bei
der am Ende der Brennstoffleitung eine Düse angeordnet ist, die senkrecht nach oben
gegen den Deckel des Mischraumes sprüht, welcher so strömungsgünstig ausgeführt
ist, daß nach Mischung in der Mischkammer das Gemisch aus seitlichen Öffnungen austritt.
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Diese Vorrichtungen haben sich, wenn Gas oder leichtes Heisöl als
Brennstoff verwendet wird, sehr gut bewahrt.
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(DT-PS 190689 5).
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Bei dieser Ausführungsform ist jedoch unvermeidlich, daß der Nebel
des zerstäubten Brennstoffes in dem Mischraum auch mit dessen Innenwand in Berührung
kommt. Je nach der Temperatur, welche die in die Wirbelschicht ragenden Verteilerköpfe
annehmen, stellt sich auch an der Mischkammerwand eine bestimmte, ziemlich gleichbleibende
Temperatur ein. Wenn diese unterhalb der Temperatur liegt, bei der in dem zerstäubten
flüssigen Brennstoff thermische Zersetzungsreaktionen beginnen, dann können die
bekannten Vorrichtungen einwandfrei und ohne Störungen betrieben werden. Wenn jedoch
die
Temperatur der Mischkammer so hoch wird, daß in auftreffenden Brennstofftröpfchen
thermische Zersetzungen eintreten, dann bilden sich koksartige Ansätze von Crackrückständen,
die schließlich bis in die Austrittsöffnungen der Verteilerköpfe fortschreiten und
diese sch3ießlich verstopfen. Die Folge ist, daß der Vordruck des Trägergases im
Düsenstock und in der Sammelleitung fortschreitend erhöht werden muß, um die zur
Aufrechterhaltung des Wirbelzustandes und der Verbrennung notwendige Menge des sauerstoffhaltigen
Trägergases in die Wirbelschicht einzubringen. Wenn die maximal zulässige Förderhöhe
des Gebläses erreicht ist, muß der Betrieb unterbrochen werden, um den Reaktor zu
reinigen. Es hat sich gezeigt, daß die Gefahr der Bildung von festen Crackruckständen
bei einer gegebenen thermischen Belastung der Verteilerköpfe und damit auch gegebener
Temperatur der Mischkammerwand um so größer ist, je höher der Siedebereich des eingesetzten
Brennstoffes liegt. Niedrig siedende Eohlenwasserstoffe, etwa vom Siedebereich eines
extra leichten Heizöls, verdampfen beim Auftreffen auf die heiße Mischkammerwand
zum Teil und kühlen dadurch die Wandfläche so stark ab, daß die Zersetzungstemperatur
des eingesetzten Heizöls unterschritten wird. Bei Kohlenwasserstoffgemischen höherer
Siedebereiche, in denen der verdampfbare Anteil geringer wird, geht dieser Kühleffekt
immer weiter zurück, so daß es bei Verwendung von schweren Heizölen zur Ablagerung
von Crackrückständen auf- der Mischkammerwand kommt.
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Diesem Nachteil soll eine Vorrichtung abhelfen, bei der der flüssige
Brennstoff aus dem Inneren von konzentrischen Rohren mittels einer horizontal gerichteten
Spruhdüse durch
eine seitliche Öffnung im Verteilerkopf gemeinsam
mit dem im äußeren der konzentrischen Rohre ausströmenden sauerstoffhaltigen Trägergas
in die Wirbelschicht eingeführt wird (DT-OS 2 157 931).
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Tatsächlich können mit dieser Vorrichtung längere störungsfreie Betriebszeiten
erreicht werden, wenn sie besonders sorgfältig betrieben wird, dabei ist insbesondere
darauf zu achten, daß beim Abstellen des Brennstoffes die Luftströme zur Kühlung
und Reinigung der Brennstoffdüse aufrechterhalten werden bis der Ofen abgekühlt
ist.
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Wenn jedoch von außen her Störungen am System auftreten, insbesondere
wenn die Stromversorgung ausfällt, lassen sich auch mit diesen Düsen die oben beschriebenen
Nachteile nicht vermeiden. Bei Luftausfall werden die Verteilerköpfe, die sich in
der heißen Wirbelschicht befinden, auch heiß und durch Strahlung wird auch die Temperatur
in den Sprühdüsen erhöht.
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Man erhält nur dann eine gute Verbrennung im Wirbelbett, wenn der
Abstand der Verteilerköpfe genügend klein gewählt wird, auch für eine gute Wirbelung
ist dies nötig.
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Da jedoch die Leistung je Flächeneinheit der Wirbelschicht begrenzt
ist, ergibt sich damit auch eine Begrenzung des Brennstoffdurchsatzes je Verteilereinheit.
Ublicherweise werden weniger als 10 kg Brennstoff Je Stunde durch einen Verteilerkopf
durchgesetzt. Damit ergeben sich zwangsläufig an den Düsen sehr kleine Öffnungen,
selbst auch für Zweistoffdüsen. Durch die Temperaturerhöhung an den Düsen kommt
es an diesen zu Koksansätzen und die Düsen sind sehr schnell verlegt. Bei Druckdüsen
kommt es darüberhinaus oft schon zu Verlegungen durch Ausfällungen im Öl bei schwankenden
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wärmetemperaturen des Öls. Wegen der großen Anfälligkeit ist
diese Vorrichtung für den rauhen Betrieb nicht geeignet und man ist deshalb wieder
davon abgegangen, durch diese Vorrichtung schweres Heizöl aufzugeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile des Standes
der Technik zu vermeiden, indem ein Verfahren und eine einfache Vorrichtung vorgeschlagen
werden, wodurch die Störungen durch Ablagerungen und Anbackungen vermieden und ein
störungsfreier Betrieb von Wirbelschichtöfen über einen langen Zeitraungewährleistet
wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man in Räumen
unterhalb der Wirbelschicht, die der Strahlung von Teilen, die durch die Wirbelschicht
erhitzt werden, nicht ausgesetzt sind, flüssigen Brennstoff verteilt zuführt und
mit einem gasförmigen Medium, vorzugsweise Luft oder Brenngas, vermischt und das
Brennstoff-Gasgemisch umgeben von sauerstoffhaltigem Trägergas für die Wirbelschicht,
jedoch getrennt von der Zufuhr des sauerstoffhaltigen Trägergases für die Wirbelschicht,
nach oben führt, von wo es zusammen mit dem sauerstoffhaltigen Trägergas für die
Wirbelschicht, welches gleichzeitig Verbrennungsluft ist, in die Wirbelschicht eintritt
und sich in dieser mit dem sauerstoffhaltigen Trägergas für die Wirbelschicht mischt
und der Brennstoff in der Wirbelschicht verbrennt.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mischt man das Gemisch
aus flüssigem Brennstoff und gasfijrmigem Medium mit dem sauerstoffhaltigen Trägergas
für die Wirbelschicht bei giicher Strömungsgeschwindigkeit.
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Brennstoff und Primärluft (Zerstäubungsluft) können vor ihrer Mischung
erwärmt werden und in gleichen Teilströmen den Mischräumen zugeführt werden.
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Mit Vorteil kann die Primärluft einem Speicher entnommen werden, der
auch noch eine Zeitlang nach einem Energieausfall Luft liefert.
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Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagene
Vorrichtung ist mit einer Verteil- und Mischeinrichtung ausgestattet und gekennzeichnet
durch eine Leitung 2 zur Beschickung der Verteil- und Mischeinrichtung 1 mit flüssigem
Brennstoff, eine Leitung 3 zur Zufuhr eines Träger- und / oder Zerstäubungsgases
(Primärluft) für den flüssigen Brennstoff, einen darüber angeordneten Mischraum
4 und eine Leitung 5 für das Brennstoff-Gasgemisch, die durch die Wirbelluftleitung
6 und den an diese Leitung anschließenden Verteilerkopf 7 führt und in der seitlichen
Öffnung 8 im Verteilerkopf 7 endet.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Mischraum
4 als Rohrleitung ausgebildet.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung bildet die Leitung 5 mit dem Mischraum 4 eine Einheit.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird die Leitung 5 an ihrem Austrittsende so gestaltet, daß sich ein
in waagerechter Richtung erstreckender Schlitz als Austrittsöffnung 9 ergibt, dessen
Querschnitt geringer ist als der der Leitung 5, wobei die Leitung 5 vor Übergang
in den verjüngten Querschnitt um mindestens 90 ° gebogen ist.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die Verteil- und Mischeinrichtungen 1 gleichartig auszuführen und die Zuführung
in ihren Längen und Querschnitten so zu bemessen, daß annähernd gleich große Druckverluste
auftreten.
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Die Leitung 5 sollte bis kurz vor ihrem Ende mit einem Heizmantel
10 versehen werden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß mit dem vorgeschlagenen Verfahren mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung
flüssige Brennstoffe mit höherem Siedebereich und geringerem verdampfbarem Anteil
in der Wirbelschicht auch im rauhen, mit von außen kommenden Störungen verbundenen
Betrieb verbrannt werden können. Dies wird dadurch erreicht, daß die Verteilung
und Mischung in einen Raum verlegt wird, der vor zu hohen Temperaturen geschützt
wird. Überraschenderweise läßt sich das Gemisch aus Brennstoff und Gas, vorsugsweise
Luft oder Brenngas, durch eine Leitung dorthin befördern, wo die Mischung mit der
Verbrennungsluft (gleich Wirbelluft) stattfinden muß, ohne daß es zu Erscheinungen
kommt, durch die der Brennstofftransport gestört würde.
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Damit es nicht bereits in den Zuführungsrohren zu einer gefährlichen
Zündung kommt, darf der Brennstoff erst kurz vor Eintritt in die Wirbelschicht oder
noch besser erst nach Eintritt in dieselbe mit dem sauerstoffhaltigen Verbrennungsgas
(Verbrennungsluft) vermischt werden. Zur Zerstaubung des Brennstoffes und Förderung
des Brennstoffgemisches ist zwar ein Gas erforderlich, man kann hierzu aber unbedenklich
Luft verwenden, da die benötigten Mengen
an Luft weniger als 5
96 der Verbrennungsluftmenge beträgt, so daß im Mischrohr noch kein zündfähiges
Gemisch vorliegt.
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Man kann aber auch gelegentlich mit Vorteil Brenngas verwenden, insbesondere
wenn Altöl in wechselnden Mengen anfallen kann, welches verbrannt werden soll. Um
eine gleich mäßige Heisleistung zu erhalten, kann der Grundlastwärmebedarf durch
Brenngas gedeckt werden. Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird, kann
dies besonders vorteilhaft geschehen, ohne daß eine Umschaltung von einem Brennstoff
auf den anderen erforderlich wird, weil flüssiger und gasformiger Brennstoff mit
wechselndem Verhältnis gleichzeitig verbrannt werden kann.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den Querschnitt der Öffnung,aus
der das Brennstoff/Gasgemisch austritt, gegenüber der Leitung 5 zu verjungen, und
zwar so, daß bei der Mischung des Brennstoff-Gasgemisches mit der Verbrennungsluft
(Wirbelluft) das Brennstoff-Gasgemisch weder eine Beschleunigung noch Verzögerung
erheblichen Ausmaßes erfährt.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, dafür Sorge zu tragen, daß bei
Störungen von außen die Zufuhr von Primärluft wenigstens noch für eine gewisse Zeit
gesichert ist. Die Leitung 5 hat im Gegensatz zu Zerstäubungsvorrichtungen aller
bekannten Bauarten keinerlei Ecken oder Räume an oder / und in denen sich Brennstoff
festsetzen kann, sondern ist durchweg glatt, so daß nach dem Abschalten der Ölzufuhr
die Leitung 5 nach wenigen Sekunden praktisch völlig frei von Brennstoff geblasen
werden kann.
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Es ist bekannt, daß bei schwerem Heizöl und ähnlichen Stoffen die
Zähigkeit bei höheren Temperaturen abnimmt und dabei ihre Förderbarkeit wesentlich
verbessert wird. Es ist daher zweckmäßig,
nicht nur den Brennstoff,
sondern auch die Primär-Luft vorzuwärmen und auch für eine Erwärmung des Brennstoff/Gasgemisches
zu sorgen, wobei freilich die Erwärmungstemperatur unter den Temperaturen liegen
müssen, die zu Crack-Erscheinungen führen. Bei Hitzeeinwirkung dienen die Erwärmungsvorrichtungen
und Wärmeträger gleichzeitig der Isolierung.
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Um eine gute Verbrennung zu erzielen, müssen Luft und Brennstoff gleichmäßig
über den Ofenquerschnitt verteilt werden, was sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sehr gut verwirklichen läßt.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Zeichnung beispielsweise
und schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. In der Figur
bedeutet: 1 Verteil- und Mischeinrichtung (Zerstäubungseinrichtung), 2 Leitung zur
Beschickung der Verteil- und Mischeinrichtung mit flüssigem Brennstoff, 3 Leitung
zur Zufuhr eines Träger- und/oder Zerstäubungsgases für den Brennstoff (Primärluftleitung),
4 Mischraum, 5 Leitung für Brennstoff-Gasgemisch (Brennstoff-Zerstäubungsgasgemisch),
6 Wirbelluftleitung (Sekundärluftleitung), 7 Verteilerkopf, 8 seitliche Öffnung
im Verteilerkopf, 9 Austrittsöffnung für Brennstoff-Gasgemisch (Brennstoff-Zerstäubungsgasgemisch),
10 Heizmantel, 11 Austritt Verteil- und Mischeinrichtung (Zerstäubungseinrichtung),
12 Bogen, 13 Windkasten, 14 Wirbelschicht, 15 Dampfeintritt, 16 Dampfaustritt
Arbeitsweise
nach Erfindung: Durch die Leitung 2 und die Leitung 3 wird die Verteil-und Mischeinrichtung
(ZerståubungseXnrichtung) 1 mit flüssigem Brennstoff und Träger- und Zerstäubungsgas
versorgt. In der Zerstäubungseinrichtung 1 wird das Zerstäubungsgas mit dem Brennstoff
derart in Verbindung gebracht, daß am Austritt 11 der Zerstäubungsvorrichtung ein
Gemisch aus sich zerstäubendem Brennstoff--und Zerstäubungsgas austritt, welches
sich in den Mischraum 4 ausbreitet, in dem sich die Zerstäubung und Vermischung
vollendet. Von hier wird das Brennstoff/Gas-Gemisch durch Leitung 5 nach oben geführt
und im Bogen 12 in die waagerechte Richtung umgelenkt. Am Austritt 9 tritt das Gemisch
aus und trifft in der seitlichen Öffnung 8 im Verteilerkopf 7 auf die Wirbelluft,
welche zugleich Verbrennungsluft (Sekundärluft) ist und vermischt sich mit dieser
zum Teil in der seitlichen Öffnung 8 zum größeren Teil in der Wirbelschicht 14.
Das Brennst off/luftgemisch wird in der Wirbelschicht t4 gezündet und verbrennt
in dieser. Die seitliche Öffnung 8 im Verteilerkopf 7 ist so dimensioniert, daß
die Gasgeschwindigkeit höher ist als die Zündgeschwindigkeit, so daß es nicht zu
Rückzündungen kommt, da es in der seitlichen Öffnung 8 nicht brennt, reicht die
Wirbelluftmenge aus, um den Verteilerkopf 7 im Betrieb auf niedriger Temperatur
zu halten. Die seitliche Öffnung ist zugleich so dimensioniert, daß in ihr der für
eine gute Wirbelung erforderliche Druckverlust auftritt. Die Wirbelluft wird über
einen Windkasten 13 auS alle Wirbelluftzufuhreinrichtungen gleichmäßig verteilt
und durch die Wirbelluftleitung (SekundärluStleitung)6 nach ober
in
den Verteilerkopf 7 geführt, wo sie durch die seitliche Öffnung 8 in die Wirbelschicht
14 austritt. Gelegentlich kann es zweckmäßig sein, mehrere seitliche Offnungen 8
für den Wirbelluftaustritt vorzusehen.
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Zur Beheizung der Leitung 5 für das Brennstoff-Gasgemisch tBrennstoff-Zerstäubungsgemisch)
ist ein Heizmantel 10 vorgesehen, der am Dampfeintritt 15 mit Dampf versorgt wird
und den der Dampf zusammen mit dem angefallenen Kondensat am Dampfaustritt 16 verläßt.
Die Leitung 5 wird samt Heizmantel 10 durch die Wirbelluftleitung 6 und den Verteilerkopf
7 so hindurchgeführt, daß nirgends die Wandungen berührt werden, so daß auf diese
Weise der Wårmetransport von der Wirbelschicht auf die Leitung 5 durch die Wirbelluft
ganz verhindert und im Stillstand auf ein Minimum reduziert wird.
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Die Leitung 5 ist so weit nach unten aus dem Windkasten 13 herausgezogen,
daß die Verteil- und Mischeinrichtung einerseits keine zu hohen Temperaturen annehmen
kann und andererseits sehr gut zugänglich ist.
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Ausführungsbeispiel: In einem Wirbelschichtofen mit einem Durchmesser
von 1,0 m, dessen Düsenrost mit 8 Vorrichtungen zur direkten Beheizung von Wirbeischichten
gemäß Erfindung ausgerüstet war, wurden Yersuche zur Verbrennung von schwerem Heizöl
durchgeführt.. Das Wirbelgut war Eisenoxid der Körnung 0,1 bis 1 mm, das sauerstoffhaltige
Trägergas (Wirbelluft) war Luft.
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Die Schichthöhe des ruhenden Wirbelgutes betrug 0,45 m.
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Um die schwierigen Situationen im Betrieb zu simulieren, wurden die
Parameter absichtlich ständig verändert, insbesondere die Oel- und Luftmenge sowie
die Temperatur im Wirbelschichtofen. Die Ölmenge wurde zwischen 6 und 8 kglh je
Zufuhreinheit kurzzeitig auch auf 5 bzw. 10 kg/h eingestellt, die Wirbelluftmenge
wurde zwischen 90 und 120 Nm3 /h je Zufuhreinheit variiert. Die Temperatur in der
Wirbelschicht schwankte zwischen 700 ° C und 1000 ° C kurzzeitig auch noch etwas
darüber und darunter. Das Öl wurde mehrmals in unregelmäßigen Abständen (im Mittel
von einer Stunde) abgestellt und nach Unterbrechungen von zwei bis dreißig Minuten
wieder angestellt.
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Nachdem es nach 55 Stunden zu keinerlei Störungen an den erfindungsgemäßen
Vorrichtungen gekommen war, wurde für 35 Minuten die Wirbelluft- und Schwerölzufuhr
abgestellt.
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Anschließend wurde wieder angefahren, ohne daß es zu irgendwelchen
Störungen gekommen wäre, es stellten sich überall wieder die gleichen Drucke ein,
die vor dem Abstellen gemessen wurden.
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L e e r s e i t e