DE2646860C2

DE2646860C2 -

Info

Publication number: DE2646860C2
Application number: DE2646860A
Authority: DE
Inventors: Herman Nack; Ke-Tien Columbus Ohio Us Liu
Original assignee: Battelle Development Corp
Current assignee: Battelle Development Corp
Priority date: 1975-10-21
Filing date: 1976-10-16
Publication date: 1993-02-11
Also published as: DE2646860A1; BE847471A; PL117560B1; CA1069276A; SU1258334A3; JPS6021769B2; FR2328507B1; AU1869076A; IT1123615B; HU176745B; AU507091B2; FR2328507A1; JPS5257085A; GB1523500A; US4084545A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung. Ein solches Verfahren ist bekannt aus AIChE Symposium Series 68 (1972) Nr. 126, Seiten 259 bis 266.

Bei diesem bekannten Verfahren strömt Gas mit einer relativ geringen Geschwindigkeit durch ein Teilchen enthaltendes Wirbelbett, wobei jedes dieser Teilchen aus einem Gemisch von Reaktanten und Nicht-Reaktanten besteht. Die gröberen Teilchen des Wirbelbettes werden aufgrund ihres höheren Gewichtes im Wirbelbett zurückgehalten, während die leichteren Teilchen vom Gasstrom aus dem Wirbelbett ausgetragen werden. Diese ausgetragenen Teilchen werden sodann abgeschieden und dem Wirbelbett wegen ihrer immer noch relativ hohen Anteile an Reaktanten wieder zugeführt, um auf diese Weise einen hohen Umsetzungswirkungsgrad zu erreichen. Außer den Reaktanten sind inerte Materialien in Form von Asche im Fließbettreaktor vorhanden und zwar einerseits große, schwere Teilchen sowie andererseits kleine, leichte Teilchen. Im Reaktor werden die vorhandenen Teilchen mit einer solchen Gasgeschwindigkeit beaufschlagt, daß die groben Teilchen ins Bett zurückfallen, also in einem zweiten Raumbereich ein Fließbett bilden, während die feinen Teilchen aus dem Reaktor nach oben, also aus einem ersten Raumbereich ausgetragen werden. Dabei werden die Reaktanten so lange in dem von den großen schweren Teilchen gebildeten dichten Fließbett gehalten, bis der Hauptteil mindestens eines der Reaktanten umgesetzt ist.

Aus der US-PS 26 38 684 ist es bekannt, in einem Fließbettsystem inerte Teilchen zu verwenden, die von dem Gasstrom nicht mitgerissen und folglich in einem Raumbereich des Fließbettreaktors verbleiben. Der in der genannten US-Patentschrift beschriebene Reaktor ist zweiteilig ausgeführt, wobei der obere Teil zum Trocknen von Kohlepartikeln und der untere Teil des Reaktors zum Verbrennen der getrockneten Kohleteilchen zum Zwecke der Wärmegewinnung dient. Zwischen den beiden Reaktorzonen findet durch eine Zwischenplatte hindurch im wesentlichen lediglich ein Durchgang von Gas statt. Im oberen Teil des bekannten Reaktors besteht das Fließbett lediglich aus groben, inerten Teilchen. Die feineren Kohleteilchen, die später durch Verbrennung umzusetzen sind, werden im Gasstrom mitgeführt. In dem unteren Reaktorabschnitt, in welchem die feinen Kohleteilchen verbrennen, besteht das Fließbett ebenfalls nur aus groben, inerten Teilchen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung so zu verbessern, daß trotz hoher Gasgeschwindigkeiten (bezogen auf das Leerrohr) eine vollständige Umsetzung der Reaktanten gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ergibt sich in erster Linie daraus, daß verfahrensmäßig dafür Sorge getragen wird, daß mit Hilfe der gröberen, inerten Teilchen die teilchenförmigen Reaktanten in ihrer Bewegung durch das Fließbett so gehemmt werden, daß hinreichend Zeit für eine vollständige Umsetzung der Reaktanten gegeben ist.

Typischerweise ist das Verfahren geeignet zur Förderung einer Reaktion mit hohem Wirkungsgrad zwischen mindestens zwei Reaktanten und umfaßt das Einleiten der Reaktanten in das Fließbettsystem in einer solchen Weise, daß man eine gründliche Durchmischung der Reaktanten als Resultat der Bewegung der miteinander vermischten Teilchen in dem dichten Fließbett erhält. Mindestens einer der Reaktanten ist ein gasförmiges Material und in diesem Falle umfaßt das Verfahren die Wirbelbildung in dem Fließbettsystem mit Hilfe dieses gasförmigen Materials. Der andere Reaktant ist ein festes teilchenförmiges Material, welches mit dem gasförmigen Material mit einer vorgegebenen Durchsatzgeschwindigkeit reagieren soll, und das Verfahren umfaßt typischerweise a) die Einleitung des festen Reaktanten in das Fließbettsystem mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit, b) die Wirbelbildung in dem Fließbettsystem bei einer solchen Gasgeschwindigkeit (bezogen auf das Leerrohr), daß der gasförmige Reaktionsteilnehmer mit einer Durchsatzmenge zugeführt wird, welche zur Erzielung einer praktisch vollständigen Reaktion mindestens eines der zugeführten Reaktanten ausreichend ist, und c) die Auswahl der Teilchenkomponenten für das Bett derart, daß die feineren Teilchen bei dieser Gasgeschwindigkeit mit dem Gasstrom mitgeführt werden, während die gröberen Teilchen wirksam in dem dichten Fließbett zurückgehalten werden.

Die festen Reaktanten können Teilchen enthalten, welche bei der Gasgeschwindigkeit in dem Gasstrom mitgeführt werden können, und das Verfahren umfaßt typischerweise die Verwendung einer solchen Menge der gröberen Teilchen, welche in ausreichendem Maße die Bewegung der Reaktantenteilchen beschränkt, so daß eine Verweilzeit derselben in dem dichten Fließbett bewirkt wird, bei der der Hauptteil mindestens eines der Reaktanten in diesem begrenzteren Raumbereich vollständig umgesetzt wird. Einer der Reaktanten kann ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff sein und das Verfahren zielt typischerweise auf das Erzeugen von Hochdruckdampf aus dem Fließbettsystem. Der kohlenstoffhaltige Brennstoff kann in dem Fließbettsystem zur Erzeugung von Wärme verbrannt werden.

Die Wärmeenergie kann dadurch abgeführt werden, daß ein Wärmeübertragungsmittel durch Dampfrohre in dem ersten Raumbereich geleitet wird.

Das Verfahren kann auch noch die Durchleitung eines Wärmeübertragungsmittels durch mindestens einen Teil des Rezirkulationsweges umfassen, wodurch die in den feineren Teilchen enthaltene Wärme auf das Medium übertragen wird.

Wenn der feste Reaktant im wesentlichen Kohleteilchen enthält und das gasförmige Reaktant im wesentlichen Luft umfaßt, dann umfaßt das Verfahren typischerweise das Verbrennen der Kohle in dem Fließbettsystem mit einer solchen Auswahl der Menge an gröberen Teilchen des Bettes, daß der Hauptteil der Kohle in dem dichten Fließbett verbrannt wird, und die Abführung von Wärmeenergie aus dem Fließbettsystem. Dies wird typischerweise dadurch bewerkstelligt, daß ein Wärmeübertragungsmittel durch mindestens einen Teil des ersten Raumbereiches außerhalb des begrenzten Raumbereiches geführt wird und die Menge der feineren Teilchen so gewählt wird, daß man eine maximale Geschwindigkeit des Wärmeübergangs auf das Mittel erhält.

Typischerweise umfaßt das Verfahren die Abführung der Wärmeenergie mit einer Geschwindigkeit, welche ausreicht, um die Temperatur des Fließbettsystems praktisch unterhalb des Schmelzpunktes der aus den Kohleteilchen gebildeten Asche zu halten, wodurch im wesentlichen die gesamte Asche mit den festen feinen Teilchen mitgeführt wird, und anschließend wird die Asche von den festen feineren Teilchen in dem Rezirkulationsweg abgetrennt.

Der kohlenstoffhaltige Brennstoff kann Schwefel enthalten und das Verfahren enthält typischerweise die Eingabe eines Absorptionsmittels für Schwefel in das Fließbettsystem. Das Absorptionsmittel für Schwefel besteht typischerweise aus einem Karbonat von Kalzium und/oder Magnesium, wie sie beispielsweise in Kalkstein oder Dolomit enthalten sind, wobei dieses Material eine Teilchengröße in einem Bereich entsprechend einer lichten Maschenweite des Siebes von etwa 0,15 bis 0,044 mm besitzt. Das dichte Fließbett wird typischerweise auf einer Temperatur im Bereich von etwa 760°C bis 955°C gehalten. Das Verhältnis des Kalziums in dem in das System eingegebene Karbonat zu dem Schwefel in dem in System eingebrachten kohlenstoffhaltigen Brennstoff beträgt typischerweise 1-3 Mole Kalzium auf 1 Mol Schwefel.

Typischerweise können die feinen und die gröberen Bett-Teilchenkomponenten im wesentlichen aus dem gleichen Material bestehen.

Typischerweise besitzt mindestens die gröbere Bett-Teilchenkomponente eine höhere Temperaturstabilität, ist unter den Betriebsbedingungen des Fließbettsystems praktisch inert und wird ausgewählt zur Erzielung einer guten Qualität der Wirbelschichtbildung und zur Förderung einer wirksamen Durchmischung und eines wirksamen Wärmeübergangs in dem Bettsystem. Wenn in dem Fließbettsystem oxidierende Verhältnisse herrschen, dann enthalten die Bett-Teilchenkomponenten im wesentlichen Metalle und Metalloxide, beispielsweise Eisenoxide, wie sie beispielsweise in Hämatit enthalten sind. Die Komponenten können alternativ auch im wesentlichen aus Aluminiumoxid oder Nickel oder Nickeloxid bestehen. Die feineren Eisenoxidteilchen können eine Teilchengröße in einem Bereich entsprechend der lichten Maschenweite von etwa 1,00 bis 0,11 mm besitzen und die gröberen Teilchen können eine Teilchengröße in einem Bereich entsprechend einer lichten Maschenweite von etwa 1,41 bis 1,00 mm besitzen. Typischerweise wird das dichte Fließbett in einem Behälter gehalten, welcher einen praktisch zylindrischen oder prismatischen Teil besitzt, und die Menge der gröberen Teilchen ausreichend gewählt, um diesen zylindrischen oder prismatischen Teil bis zu einer Tiefe von mindestens etwa 25 cm zu füllen, wenn in dem Bett keine Wirbelschicht erzeugt wird. Die Gasgeschwindigkeit (bezogen auf das Leerrohr) des Fließbettes kann im Bereich von etwa 6 bis 12 m/s liegen.

Bevorzugterweise besteht die feinere feste Bett-Teilchenkomponente im wesentlichen aus einem Karbonat des Kalzium, des Magnesium oder beider Elemente, wie es in Kalkstein oder Dolomit enthalten ist. In diesem Falle kann die gröbere feste Bett-Teilchenkomponente im wesentlichen aus einem Metall oder Metalloxid bestehen, beispielsweise aus Eisenoxyd, wie es in Hämatit enthalten ist.

Alternativ hierzu besteht die gröbere Bett-Teilchenkomponente im wesentlichen aus Aluminiumoxid oder Nickel oder Nickeloxid.

Die Teilchen der gröberen Bettkomponente können aus Hämatit mit einer Teilchengröße im Bereich entsprechend einer lichten Maschenweite von etwa -1,41 bis +1,00 mm bestehen. Die Teilchen der feineren Komponente können aus Kalkstein mit einer Teilchengröße im Bereich entsprechend der lichten Maschenweite von etwa 0,84 bis 0,42 mm bestehen. Die Gasgeschwindigkeit (Leerrohr) des Fließbettsystems kann im Bereich von etwa 6 bis 12 m/s liegen, während ein Wärmeübertragungsmittel durch Dampfrohre in dem ersten Raumbereich einschließlich des zweiten Raumbereichs geleitet wird.

Typischerweise wird der Strom der festen Teilchen der feineren Bettkomponente in dem Rezirkulationsweg so begrenzt, daß ein Vorrat an Teilchen stromaufwärts von der Strömungsverengung gebildet wird und dadurch in dem Vorratsraum eine Menge von Teilchen angesammelt wird, welche ausreichend ist, um einen Rückstrom in dem Rezirkulationsweg zu verhindern, welcher sich sonst aus dem Druck zur Wirbelschichtbildung ergeben könnte, welcher an dem dichten Fließbett zugeführt wird. Bei einem Vorgang mit Aschebildung, bei dem die im Vorratsraum angesammelten Teilchen noch Restasche enthalten, umfaßt das Verfahren typischerweise eine Wirbelschichtbildung der Teilchen in dem Vorratsraum zur selektiven Mitführung der Asche und zur Entfernung der mitgeführten Asche zwecks Beseitigung.

Die Strömungsverengung, die Menge der Teilchen und die Geschwindigkeit zur Wirbelschichtbildung können dabei so ausgewählt werden, daß man eine passende Rezirkulationsgeschwindigkeit für die festen Teilchen der ersten Bettkomponente erhält, welche auch ausgedrückt werden kann in kg/hm² Querschnitt des dichten Fließbettes senkrecht zur Hauptrichtung der Bewegung der Teilchen der feinen Komponente durch das Bett. Diese Rezirkulationsgeschwindigkeit kann dann so gewählt werden, daß sie ausreichend ist, um praktisch eine maximale Gesamtwärmeübergangsgeschwindigkeit in dem ersten Raumbereich zu erhalten.

Wenn die Luft mit einem kohlenstoffhaltigen Brennstoff zur Reaktion gebracht wird, dann umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren typischerweise die Zufuhr eines Teils der Luft zu dem dichten Fließbett mit einer Geschwindigkeit, welche zur Wirbelschichtbildung der Teilchen der gröberen Komponente in dem Bett ausreichend ist und ausreicht zur Aufrechterhaltung der Zirkulation der Teilchen der feineren Komponente durch das System, wobei gleichzeitig mindestens der Hauptteil des dichten Bettes in einem Bereich mit Sauerstoffunterschluß betrieben wird. Weiterhin wird ein weiterer Teil der Luft in das im Gasstrom mitgeführte Bett eingeleitet, so daß mindestens der Hauptteil dieses mitgeführten Bettes in der Betriebsart mit Sauerstoffüberschuß betrieben wird. Ein Wärmeübertragungsmittel kann durch mindestens einen Teil des ersten Raumbereiches außerhalb des zweiten Raumbereiches geleitet werden, um aus demselben die Wärme abzuführen.

Nachstehend werden im Zusammenhang mit den Ausbildungen beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer typischen Fließbett-Dampferzeugungsanlage, welche für den Betrieb nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingerichtet ist.

Die Fig. 2 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung der Hauptbrennkammer, des Abscheiders und des Rezirkulationssystems der Anlage nach Fig. 1 mit weiteren Einzelheiten.

Die Fig. 3 ist eine schematische Darstellung und zeigt eine Abwandlung der Anlage nach Fig. 2, bei der in dem Rezirkulationsweg für die im Gasstrom mitführbaren Teilchen der Fließbettkomponente eine Wärmeaustauscherzone vorgesehen ist.

Die Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung aus der ersichtlich ist, wie das Fließbettsystem nach Fig. 2 für eine zweistufige Verbrennung eingerichtet werden kann.

Nachstehend werden im Zusammenhang mit den Abbildungen typische Ausführungsformen erläutert. Ein typisches Fließbettsystem, welches nach dem Verfahren gemäß der Erfindung betrieben werden kann, ist zur Verwendung von Kohle mit hohem Schwefelgehalt aus einem Vorratsspeicher 10 und zur Erzeugung eines Wärmeenergieproduktes in Form von Hochdruckdampf zu einem Dampfleitungssystem 12 eingerichtet. Ein weiteres Rohmaterial in der Form von pulverisiertem Kalkstein (hauptsächlich CaCO₃) oder Dolomit (hauptsächlich CaMg(CO₃)₂) aus dem Vorratsspeicher 14 wird als Absorptionsmittel verwendet, um den Schwefel in der Kohle aufzunehmen und die Emission von Schwefeldioxid durch die Schornsteingase auf einen annehmbaren Wert zu beschränken.

Die Kohle wird in einer Hauptbrennkammer 16 verbrannt. In diese Brennkammer 16 wird gemahlene Kohle über eine Leitung 18 eingeleitet, wobei die Kohle in einem Strom verdichteter Luft mitgeführt wird. Die Leitung 18 wird auch zum Einbringen von pulverisiertem Kalkstein verwendet. Die gemahlene Kohle und der Kalkstein werden aus entsprechenden Vorratstrichtern oder Schütten 20 und 22, welche für einen kurzen Zeitraum bemessen sind (4 Stunden), zugeführt und das Material wird durch konventionelle Sternaufgabevorrichtungen oder Aufgabevorrichtungen anderer Bauart (nicht gezeigt) abgemessen aufgegeben. Der Vorrat an Kalkstein und an Kohle wird über Fördereinrichtungen 24 und 26 ergänzt. Der Kalkstein in dem Vorratsspeicher 14 kann handelsmäßig erhältlicher pulverisierter Kalkstein für die Verwendung in der Landwirtschaft sein. Die Kohle in dem Vorratsspeicher 10 muß jedoch möglicherweise an Ort und Stelle durch eine Mahlanlage 28 gemahlen werden, welche durch ein Förderband 30 versorgt wird.

Die Luft zur Unterhaltung der Verbrennung der Kohle und auch zur Wirbelschichtbildung in den noch nachstehend beschriebenen Fließbetten wird über eine Leitung 34 aus einem geeignetem Gebläse 32 unter einem Druck von etwa 0,28 kg/cm² oder darüber geliefert. In dem Gasstrom durch die Hauptbrennkammer 16 aufgenommene Feststoffe werden durch einen primären Abscheider 36, einen sekundären Abscheider 38 und einen elektrostatischen Abscheider 40 ausgeschieden. Die von dem sekundären Abscheider 38, dieser ist typischerweise ein Zyklonabscheider, und die von dem elektrostatischen Abscheider 40 ausgeschiedenen Feststoffe bestehen im wesentlichen aus Asche, welche durch Fallrohre 42 und 44 zu einer Ascheablagerung 46 geleitet werden. Die Arbeitsweise des primären Abscheiders 36 wird noch nachstehend näher beschrieben.

Bevor die Verbrennungsgase durch die Abzugsleitung 48 an den Schornstein abgegeben werden, werden sie durch einen Wärmeaustauscher 50 geführt, in dem der größte Teil ihrer verbleibenden Wärme auf das Kesselspeisewasser übertragen wird, welches über ein Rohr 52 eintritt. Das erwärmte Speisewasser wird dann über ein Rohr 54 einem Speisewasserkessel 56 zugeführt, um irgendwelche Wasserverluste im Dampfkessel auszugleichen. Das aus dem Dampfleitungssystem 12 zurückgeführte Kondensat und das zugeführte Speisewasser werden über einen konventionellen Verteiler (nicht gezeigt) einem Satz von Dampfkesselrohren bei 58 zugeführt. Wegen der Deutlichkeit der Darstellung wird nur das eine Rohr 58 gezeigt. Es ist ein U-förmiges Rohr und erhält Wasser von dem Speisewasserverteiler an dem einem Ende 58a. Es verläuft dann nach unten in die Hauptbrennkammer und kehrt dann nach oben zurück und leitet Dampf durch sein anderes Ende 58b zu einem Dampfverteiler und einem Dampfkessel (nicht gezeigt), welche mit dem Dampfleitungssystem 12 verbunden sind.

Wie noch im einzelnen in der Fig. 2 dargestellt, wird hauptsächlich in der Hauptbrennkammer 16 ein im Gasstrom mitgeführtes Fließbett in einem ersten Raumbereich I gebildet, welches eine erste feste teilchenförmige Bettkomponente 60 enthält. In einem begrenzteren Raumbereich II im Inneren des ersten Bereiches I wird auch noch ein dichtes Fließbett erzeugt, das eine zweite Bettkomponente aus festen Teilchen 62 enthält. Die Teilchen 62 bestehen im wesentlichen aus einem Material mit einer physikalischen und chemischen Langzeitstabilität in dem Fließbettsystem, so daß sie im wesentlichen nicht agglomerieren und nicht einer wesentlichen Aufzehrung oder Abtragung in dem Fließbett unterliegen.

Die erste, feinere Teilchenkomponente 60 wird in dem Gasstrom durch die Brennkammer 16 migeführt. Der Gasstrom entsteht durch die bei 64 in einem Verteiler oberhalb eines Sammelraums 68 indizierte Luft, wobei der Sammelraum die Luft über die Leitung 34 von dem Gebläse 32 erhält. Die Teilchen der Komponente 60 werden über eine Leitung 70 aus dem Brenner heraus und in den primären Abscheider 36 getragen. Der Abscheider 36 ist hier als Zyklonabscheider dargestellt, welcher nahezu die gesamten Teilchen der ersten Komponente aus dem Gasstrom entfernt, bevor das Gas durch eine Leitung 72 austritt.

Der Abscheider 36 bildet zusammen mit einer Vorratskammer 74 und einer Leitung 76 für die Rezirkulation einen Rezirkulationsweg für die erste Teilchenkomponente 60 aus dem ersten Raumbereich I durch das dichte Fließbett in dem begrenzten Raumbereich II. Die Gasgeschwindigkeit (bezogen auf das Leerrohr) des Bettsystems wird dabei so gewählt, daß die Teilchen der zweiten Komponente 62 in dem dichten Fließbett zurückgehalten werden, während die Teilchen der ersten Komponente 60 rezirkulieren und durch das dichte Fließbett hindurchdringen, wobei sie sich mit den Teilchen der zweiten Komponente vermischen.

In dem Brennkammersystem sind die Hauptreaktanten die über die Leitung 18 zugeführten teilchenförmige Kohle und die über die Leitung 34 zugeführte Luft. Diese Reaktanten und auch noch der über die Leitung 18 zugeführte pulverisierte Kalkstein werden in Folge der Wirbelbewegung der vermischten Teilchen in dem dichten Fließbett gründlich miteinander gemischt. Die Kohle und der Kalkstein werden an einem Punkt oberhalb des Verteilereinsatzes 66 und unterhalb der Dampfkesselrohre 58 eingeleitet, so daß ein beträchtliches Maß der Durchmischung eintritt, ohne Beeinträchtigung infolge der Anwesenheit der Dampfkesselrohre, bevor die Reaktanten nach oben in den Bereich der Rohre geführt werden.

Typischerweise kann die Hauptbrennkammer 16 eine Höhe von etwa 6 m besitzen mit einem ausreichend großen quadratischen Querschnitt, so daß die Anzahl der Dampfkesselrohre untergebracht werden kann, welche erforderlich ist um die benötigte maximale Ausgangswärme abzuführen, welche etwa bei der optimalen Temperatur des dichten Fließbettes im Bereich von etwa 790 bis 955°C auftritt. Typischerweise können die Dampfkesselrohre bei 58 einen Durchmesser von etwa 5 cm und einen Abstand bis herunter zu etwa 5 cm besitzen. Es ist möglich, die Rohre so anzuordnen, daß mehr Rohre pro Einheit der Querschnittsfläche am Oberteil der Brennkammer im Bereich I, jedoch außerhalb des Bereiches II, vorhanden sind als in dem Unterteil der Brennkammer im Bereich des dichten Fließbettes, da das im Gasstrom mitgeführte Fließbett leichter durch die engeren Zwischenräume zwischen den Rohren strömen kann. Wegen der niedrigen Temperatur und des hohen Kühlwirkungsgrades der Fließbette kann die Brennkammer 16 eine einfache Stahlummantelung besitzen, welche gewünschtenfalls an der Außenseite mit einem feuerfestem Gewebe mit feuerfesten Steinen isoliert ist.

Die vorgegebene maximale Menge der in der Zeiteinheit zugeführten Kohle ist so bemessen, daß sie ausreicht, um die maximal gewünschte Wärmeabgabe zu erzeugen. Die Einsatzmenge des Luftstroms über die Leitung 34 und das Verteilerstück 66 muß dann so bemessen werden, daß sie ausreicht, um eine praktisch vollständige Verbrennungsreaktion der Kohle zu bewirken. Es wurde gefunden, daß ein Sauerstoffüberschuß von etwa 20% über dem für die Oxydation der Kohle zu CO₂ benötigten Sauerstoff erforderlich ist, um einen befriedigenden hohen Wirkungsgrad für die Verbrennung zu erhalten, und dieser Gesichtspunkt wird bei der Festlegung der zuzuführenden erforderlichen Luftmenge berücksichtigt.

Die maximal zugeführte Luftmenge bestimmt ihrerseits die maximale Gasgeschwindigkeit (bezogen auf das Leerrohr) für das Fließbettsystem. Auf der Basis dieser maximalen Gasgeschwindigkeit werden die Teilchenkomponenten für das Fließbett so gewählt, daß die Teilchen der ersten Komponente 60 im Gasstrom mitgeführt werden und andererseits die Teilchen der zweiten Komponente in dem dichten Fließbett in dem begrenzterem Raumbereich II zurückgehalten werden. Unter der Annahme, daß ein geeignetes Material ausgewählt wurde, beispielsweise das Mineral Speculite (Hämatit), können die benötigten Teilchengrößen mit guter Näherung durch rechnerische und graphische Berechnungen der Form ermittelt werden, wie sie in dem Aufsatz "Fluidized Bed Processing" von L. Reh, Chemical Engineering Progress, Vol. 67, Nr. 2, Februar 1971, Seite 58-63 beschrieben werden. Es wird auch noch auf die US-Patentschrift 35 65 408 verwiesen.

Für eine bestimmte Fließbettanlage können die aus der Berechnung erhaltenen Werte notwendigenfalls durch einige wenige Experimente verfeinert werden. Die Teilchen der zweiten Komponente 62 sind typischerweise geringfügig größer als das größte Teilchen, welches normalerweise in den Abscheider 36 ausgeblasen wird, und diese Teilchen besitzen einen engen Bereich für die Teilchengrößen. Die Teilchen für die erste Komponente besitzen typischerweise einen breiteren Bereich der Teilchengröße und eine Teilchengrößenverteilung, welche sich von dem größten Teilchen, das noch regelmäßig in den Abscheider 36 ausgeblasen wird, über fortschreitend kleinere Teilchengrößen zu einer Teilchengröße erstreckt, welche geringfügig größer ist als das größte Teilchen, das noch regelmäßig in den zweiten Abscheider 38 herübergeblasen wird.

Zur Veranschaulichung wurde ein Arbeitsmodell aufgebaut, in dem die Brennkammer aus einem kreisringförmigen Stahlrohr mit einem Durchmesser von etwa 15 cm und einer Höhe von etwa 3 m gebildet wurde. Im übrigen war die Brennkammer sehr ähnlich der in Fig. 2 gezeigten Anlage. Beim Betrieb mit einer Gasgeschwindigkeit (bezogen auf das Leerrohr) von etwa 9 m/s bestanden beide teilchenförmigen Komponenten des Fließbettes aus dem Mineral Speculite. Die Teilchen der zweiten Komponente 62 besaßen eine Verteilung der Teilchengröße gemäß der nachstehend angegebenen Siebanalyse:

Lichte Maschenweite (ca.) in mm
Gewichtsprozent
2,35-1,68
0,0
1,68-1,41	4,99
1,41-1,00	92,40
1,00-0,84	2,25
0,84-0,60	0,15
0,60	0,21

Die Siebanalyse für die Teilchen der ersten Komponente 60 ergab:

Lichte Maschenweite (ca.) in mm
Gewichtsprozent
1,41-1,00
2,5
1,00-0,84	10,1
0,84-0,60	14,2
0,60-0,44	17,8
0,44-0,18	35,4
0,18-0,148	9,7
0,148-0,11	7,4
0,11-0,074	0,66
0,074-0,044	0,62
0,044	0,71

Die Menge der vorgesehenen Teilchen der zweiten Komponente 62 ist typischerweise ausreichend, um die Bewegung der Kohleteilchen in der Hauptrichtung des Luftstroms zu hemmen und damit eine solche Verweilzeit der Kohleteilchen in dem dichten Fließbett zu erhalten, daß der Hauptteil der Kohle im Bereich II vollständig verbrannt wird. Druckmessungen an Punkten entlang der Höhe der Brennkammer 16 zeigen, daß nahezu der gesamte Druckabfall in dem zur Wirbelschichtbildung verwendeten Gas oberhalb der Verteilerstückes 66 über die Länge des dichten Fließbettes im Bereich II erfolgt. Es wird daher gefolgert, daß die Verweilzeit eines mit dem Gasstrom mitführbaren Teilchens in dem im Gasstrom mitgeführten Fließbett möglicherweise relativ unbedeutend ist im Vergleich mit seiner Hauptverweilzeit in dem dichten Fließbett. Als weiteres Anzeichen hierfür wurde gefunden, daß die Verbrennung der unvollständig zur Reaktion gebrachten Kohleteilchen zu einem beträchtlichen Ausmaß in dem primären Abscheider 36 erfolgt, wenn die Menge der Teilchen der zweiten Komponente zu stark verringert wird. Dies ist unerwünscht für den Fall des dargestellten Brennkammersystems mit Fließbett. In anderen Anwendungsfällen kann es jedoch zulässig oder sogar erwünscht sein, daß man einen Reaktionsteilnehmer mehrmals durch das System zirkulieren läßt, um die gewünschte Reaktion vollständig durchzuführen.

In einem System mit einer Gasgeschwindigkeit (bezogen auf das Leerrohr) von etwa 6 bis 12 m/s und unter Verwendung der "groben" und "feinen" Teilchen des Minerals Speculite nach der vorstehenden Siebanalyse wird eine Menge der groben Teilchen 62 benötigt, welche ausreicht zur Füllung des zylindrischen oder prismatischen Teils der Brennkammer 16 auf eine Tiefe von mindestens etwa 25 cm (in dem Ruhezustand ohne Bildung einer Wirbelschicht oder eines Fließbettes), um das unerwünschte Verbrennen eines bedeutenden Teils der Kohle in dem primären Abscheider 36 zu verhindern. Andererseits muß eine wesentlich größere Menge der Teilchen der zweiten Komponente 62 vermieden werden. Je mehr Teilchen 62 in dem dichten Fließbett vorhanden sind, desto größer ist der Druckabfall, welcher über dem Bereich II bestehen muß, um eine gute Fließbettbildung oder Wirbelschichtbildung aufrecht zu erhalten und ein Zusammenballen der Teilchen zu vermeiden. Infolgedessen ist auch dann der Luftdruck größer, welcher durch das Gebläse 32 geliefert werden muß und dies ergibt einen größeren Leistungsverbrauch und einen größeren Verschleiß in dem Gebläse.

Die Hauptfunktionen der ersten Teilchenkomponente 60 in dem dargestellten Brennkammersystem bestehen darin, einen hohen Wärmeübergang auf die Dampfkesselrohre in dem freien Bereich innerhalb des Bereichs oder der Zone I oberhalb des Bereiches II zu erzeugen, die Qualität der Wirbelschichtbildung in dem Bereich II für das dichte Fließbett zu steigern, die Durchmischung der Kohle, der Luft und des pulverisierten Kalksteins zu fördern, und dabei mitzuhelfen, die Reaktanten in der Brennkammer 16 solange festzuhalten, bis die Kohle im wesentlichen vollständig verbrannt ist und der größte Teil des Schwefeldioxids von dem Kalkstein absorbiert wurde. In dem dargestellten System besteht eine weitere wichtige Funktion der ersten Teilchenkomponente 60 darin, die Zweigleitung für die Rezirkulation abzudichten und dadurch die Notwendigkeit für eine rotierende Aufgabevorrichtung oder dergleichen zwischen dem Speichervorrat 74 und der Leitung 76 zu vermeiden.

Der am Boden des dichten Fließbettes im Bereich II zugeführte Luftdruck wird auch noch als Gegendruck an der Leitung 76 aufgegeben. Um die feinen Teilchen der Fließbettkomponente an der Bewegung aus dem Speichervorrat 74 durch die Leitung 76 und in die Hauptbrennkammer 16 gegen diesen Gegendruck zu hindern, wird in diesem Teilchen eine Wirbelschicht durch Luftinjektion in die Leitung 76 über einen durch den Pfeil 80 angedeuteten Stutzen erzeugt. Um die injizierte Luft mit einem ausreichenden Antriebsdruck innerhalb der Leitung 76 auszustatten zwecks Aufrechterhaltung der Bewegung der Teilchen in die Brennkammer 16, wird eine Säule 77 von Teilchen angesammelt und in dem Speichervorrat 74 gehalten, wobei deren Tiefe ausreicht, um ein Austreten des Antriebsdrucks in der Leitung 76 in den Zyklonabscheider 36 zu verhindern. Der Vorrat von Teilchen wird dadurch aufrecht erhalten, daß der Strom der Teilchen aus dem Vorratsspeicher 74 in die Leitung 76 mittels eines Kugelventils 78 gesperrt wird. Die Stellung des Ventils steuert die Rezirkulationsgeschwindigkeit der Teilchen der ersten Komponente 60 durch das Brennkammersystem.

Typischerweise werden beim Anfahren der Brennkammer nur die groben Teilchen der zweiten Bettkomponente 62 zunächst in die Brennkammer 16 eingegeben, zusammen mit relativ grober Kohle, beispielsweise mit einer Teilchengröße entsprechend der lichten Maschenweite zwischen 2,35 und 0,84 mm. Diese wird solange verwendet, bis die Verbrennung eingeleitet ist und die Temperatur in der Brennkammer 16 auf einen Wert oberhalb etwa 760°C angestiegen ist. Danach kann feine Kohle oder ein unmittelbar im normalen Abbau erhaltenes Gemisch mit Teilchengrößen verwendet werden, die klein genug sind zur Einführung über die Leitung 18. Obwohl in der experimentellen Modellbrennkammer nur Kohleteilchen mit einer maximalen Größe entsprechend einer lichten Maschenweite von ca. 2,35 mm verbrannt wurden wegen der kleinen Abmessung der Anlage, wird trotzdem angenommen, daß größere Brennkammern Kohlesorten mit Teilchengrößen bis zu etwa einem Durchmesser von ca. 3 mm oder sogar 6 mm verwenden können.

Beim Anfahren der Brennkammer ist das Kugelventil 78 geschlossen und in der Brennkammer 16 sind keine feinen Teilchen der ersten Komponente 60 vorhanden, obwohl ein Vorrat derselben in dem Speicher 74 vorhanden sein kann, so daß der absteigende Zwei 74, 76 verschlossen ist, wenn das Ventil 78 geöffnet wird. Bereits am Anfang oder zu irgendeinem Zeitpunkt können zusätzliche feine oder grobe Teilchen der Bettkomponenten in die Brennkammer 16 über eine Schütte oder einen Einfülltrichter 84 eingegeben werden. Ein Stutzen für Luftinjektion ist durch den Pfeil 86 bezeichnet und ist vorgesehen, um den Fluß der Teilchen aus dem Einfülltrichter in die Brennkammer 16 zu unterstützen.

Nachdem die Brennkammer einmal in Betrieb ist, kann das Ventil 78 allmählich so lange geöffnet werden, bis die gewünschte Rezirkulationsgeschwindigkeit erzielt wird. Dabei ist die Tatsache zu beachten, daß eine Mindesthöhe der feinen Teilchen in dem Speicher 74 benötigt wird, um den abfallenden Zweig der Leitung abzudichten und daß unter stationären Verhältnissen die feinen Teilchen in den Speicher 74 mit der gleichen Geschwindigkeit zurückgeführt werden, mit der sie durch das Ventil 78 austreten können. Daher ist für eine konstante Füllhöhe der Teilchen im Speicher 74 die Rezirkulationsgeschwindigkeit direkt proportional der Gesamtmenge der feinen Teilchen der ersten Komponente 60, welche sich im Durchlauf durch das im Gasstrom mitgeführte Fließbett befindet. Beim Betrieb mit einer Gasgeschwindigkeit (bezogen auf das Leerrohr) von etwa 9 m/s und bei Verwendung der feinen Teilchen des Minerals Speculite für die erste Bettkomponente 60 wurde gefunden, daß die Mindestfüllhöhe der Teilchen in dem Speicher 74 zur Abdichtung der Fall-Leitung etwa 45 cm beträgt. Neben dieser Menge von feinen Teilchen, welche zur Abdichtung der Fall-Leitung benötigt wird, wurde nach den Ergebnissen der Untersuchung noch eine Mindestmenge für die Rezirkulation benötigt, welche äquivalent ist einer Absetzhöhe von etwa 3,7 cm ohne Wirbelschichtbildung in der Brennkammer 16. Diese Absetzhöhe ist erforderlich, um eine merkliche befriedigende Verbesserung der Wärmeübertragungskennwerte zu erhalten. Mit der Zufügung einer größeren Menge von feinen Teilchen kann ein Ansteigen des Wärmeübertragungskoeffizienten erwartet werden, bis dieser dann schließlich nicht mehr weiter ansteigt. Dabei kann der Wärmeübertragungskoeffizient beispielsweise in Kalorien pro cm² des Querschnitts des Dampfkesselrohrs pro Stunde pro °C angegeben werden. Typischerweise wird eine genügende Menge der feinen Teilchen zugefügt, welche ausreicht zur Erzielung einer maximalen Gesamtwärmeübertragung auf die Dampfkesselrohre, ohne dabei eine unerwünschte Instabilität der Verbrennung, einen geringen Wirkungsgrad der Verbrennung, eine unerwünschte Zusammensetzung der Abgase oder eine Beeinträchtigung bei der Erzielung des gewünschten Abschaltverhältnisses zu erzeugen. Ein sehr befriedigender Betrieb wurde erreicht mit einer Menge der rezirkulierenden feinen Teilchen, welche ausreichend ist, um die Brennkammer 16 auf eine Absetzhöhe von etwa 6,3 bis 7,5 cm im Ruhestand und ohne Wirbelschichtbildung anzufüllen. Um die Überprüfung des vorhandenen Bestandes an feinen Teilchen und der Rezirkulation zu unterstützen, kann für den Speicher 74 eine Anordnung 88 mit "Sichtglas" vorgesehen werden.

Der Abscheider 36 ist typischerweise so ausgelegt, daß er praktisch die gesamten Teilchen der ersten Bettkomponente 60 abfängt und sie in den Speicher 74 zurückführt und gleichzeitig gestattet, daß soviel Asche wie möglich durch die Überströmleitung 72 in den Abscheider 38 abgegeben wird. Der größte Teil der Asche, welcher unvermeidlich in den Speicher 74 fällt und mit den feinen Bett-Teilchen 60 in der Säule 77 vermischt wird, wird von den darin enthaltenen Bett- Teilchen dadurch abgetrennt, daß eine Asche-Fall-Leitung 90 vorgesehen ist, welche in dem oberen Teil des Speichers 74 mündet und eine Wirbelschichtbildung in der Säule 77 vorgenommen wird, wozu verdichtete Luft durch einen oder mehrere Luftinjektionsstutzen gemäß dem Pfeil 82 eingeleitet wird.

Die Teilchen der ersten Komponente 60 und die Teilchen der zweiten Komponente 62 bestanden bei einer befriedigenden Arbeitsweise der Anlage im wesentlichen aus Eisenoxid, wie es in dem Mineral Speculite enthalten ist. Dieses Material besaß in der erhältlichen Form viele scharfe Kanten an den Teilchen und daher wurde gefunden, daß zunächst ein Abtragungsverlust von etwa 8,2% während der ersten fünf Betriebsstunden eintritt. Danach verringerte sich der Verlust auf einen unwesentlichen konstanten Abtragungswert von etwa 0,25% pro Tag, und zwar nach dem Abschleifen der scharfen Kanten. Der einmalige Verlust von 8% ist gerechtfertigt durch die relativ niedrigen Kosten dieses Materials und der Ersatz des Verlustes von 0,25% pro Tag stellt nur einen geringfügigen Betriebskostenanteil dar, welcher zu rechtfertigen ist durch die Ersparnisse in anderen Bereichen, wie sie vorstehend angegeben wurden, und durch das erreichbare verbesserte Betriebsverhalten.

Ein befriedigender Betrieb des Arbeitsmodells der Brennkammer wurde auch erreicht unter Verwendung von gemahlenem Kalkstein mit einer Teilchengröße im Bereich entsprechend der lichten Maschenweite von 0,84 bis 0,44 mm für die Teilchen der feineren Bettkomponente 60. Für die Teilchen der zweiten gröberen Komponente 62 wurde das grobe Mineral Speculite (lichte Maschenweite 1,41-1,00 mm) gemäß der vorstehenden Beschreibung verwendet. Wie zuvor wurde das Fließbettsystem mit einer Gasgeschwindigkeit von etwa 9 m/s betrieben. Es ist zu beachten, daß auch hier der pulverisierte Kalkstein (Teilchengröße entsprechend der lichten Maschenweite von weniger als 0,044 mm) als primäres Absorptionsmittel für Schwefel verwendet wurde, da die verfügbare Oberflächengröße und die Abnahmegeschwindigkeit für den Kalkstein mit Teilchengröße entsprechend der lichten Maschenweite 0,84-0,44 mm es nicht gestattet, mehr als einen Bruchteil des Schwefeldioxides zu absorbieren, welcher durch das Verbrennen der Kohle erzeugt wird.

Wie zuvor ausgeführt, kann die verfügbare Form des Kalksteins (oder des Dolomits) von deren geographischem Ursprung abhängig sein und diese können die verschiedensten Abtraggeschwindigkeiten besitzen. Wenn Kalkstein mit einer hohen Abtraggeschwindigkeit als Teilchen für die erste Bettkomponente 60 verwendet wird, dann müssen geeignete Vorkehrungen getroffen werden, um den verloren gegangenen Kalkstein der Komponente 60 periodisch oder kontinuierlich zu ersetzen. Gleichzeitig kann jedoch möglicherweise die Geschwindigkeit verringert werden, mit welcher der pulverisierte Kalkstein aus dem Vorratsspeicher 22 zugeführt wird. In einem anderen Fall kann der für die Komponente 60 verwendete Kalkstein möglicherweise keinen wesentlichen Abtrag besitzen und muß daher nur in gelegentlichen Intervallen ersetzt werden. Der gesamte für die Absorption des Schwefels in der Kohle benötigte Kalkstein muß jedoch aus dem Vorratsspeicher 22 für pulverisierten Kalkstein geliefert werden. Experimente unter Verwendung von verschiedenen Ausmahlungen von pulverisierten Kalkstein bis herunter zu einer Teilchengröße entsprechend der lichten Maschenweite von weniger als 0,044 mm haben gezeigt, daß in einem System ähnlich dem in Fig. 2 abgebildeten System, bei dem das Material einmal durchgesetzt wird, der Kalkstein um so wirksamer für die Entfernung des Schwefels ist, je feiner er ist. Infolgedessen ist dann auch die Kalksteinmenge geringer, welche verwendet werden muß, um die Gase der Brennkammer auf einen annehmbaren Wert zu entschwefeln. Es wurde gefunden, daß in dem Arbeitsmodell mit einmaligem Durchsatz ähnlich dem System nach Fig. 2 Kalksteinteilchen im Größenbereich entsprechend einer lichten Maschenweite von etwa 0,148 bis 0,044 mm wirksam verwendet werden können. Die Größe der für einen bestimmten Anwendungsfall zu verwendenden Teilchen aus Kalkstein oder Dolomit kann gemäß dem wirtschaftlichsten Kompromiß ermittelt werden in Abhängigkeit von dem Kalksteintyp, dem Schwefelanteil in der Kohle, den Kalksteinkosten, den Kosten für das Mahlen und Sieben und den Gesichtspunkten für die Beseitigung und/oder Aufbereitung und für den zulässigen Schwefelgehalt in den Abgasen.

Die festen Teilchen für die zweite Bettkomponente 62 bestehen im wesentlichen aus einem Material, welches in dem Fließbettsystem eine physikalische und chemische Langzeitstabilität besitzt und dadurch sich praktisch nicht agglomeriert und an dem praktisch in der Anlage keine wesentliche Abtragung erfolgt. Im allgemeinen Fall kann dieses Material katalytisch wirken oder sogar in eine chemische Reaktion eintreten, welche in dem Fließbettsystem erfolgt. Gemessen über eine Zeitdauer von Wochen oder Monaten wird es jedoch im chemischen Sinne nicht wesentlich aufgebraucht und ändert auch seine physikalischen Eigenschaften nicht wesentlich, weder durch Agglomeration noch durch Abtragung, insbesondere nicht in einem solchen Ausmaß, daß sein Verhalten in dem Fließbettsystem wesentlich verändert wird.

Für den Fall der Brennkammer mit Fließbett wurde gefunden, daß neben dem Zusatz von Eisenoxid gemäß dem vorstehend beschriebenen Beispiel Aluminiumoxid, Nickel und Nickeloxid weitere geeignete Materialien darstellen. Neben ihrer Eigenschaft der physikalischen und chemischen Langzeitstabilität unter den Betriebsverhältnissen in der Brennkammer sind alle diese Materialien hervorragend bezüglich ihres "Wärmeübertragungsparameters" (HTP), wie er durch die folgende Beziehung gegeben ist:

HTP=C_ps ^0,8 · ρ_s ^1,43

Dabei ist C_ps die spezifische Wärme des Feststoffes und ρ_s ist die Dichte des Feststoffes. Der Wärmeübertragungsparameter HTP steht in Beziehung zum Wärmeübergangsverhalten der Bett- Teilchenkomponente in dem Fließbettsystem. Die Wärmeübertragungsparameter HTP für die 4 als geeignet für den Brenner befundenen Materialien sind: Fe₂O₃ 3,81, Al₂O₃ 2,77, Ni 4,65 und NiO 4,09. Das Fe₂O₃ besitzt große wirtschaftliche Vorteile, da es in natürlichem Hämatiterz in sehr hohen Konzentrationen vorkommt, welches mit relativ geringen Kosten erhältlich ist.

Es kann noch andere Materialien einschließlich weiterer Metalle, ihren Legierungen und Oxyden, Cermets, intermetallischen Verbindungen oder beschichteten Teilchen geben, welche für die Verwendung in Brennkammern oder in anderen Anwendungsfällen mit Fließbett geeignet sind.

In dem Brennkammersystem nach Fig. 3 wird ein Wärmeübertragungsmittel durch mindestens einen Teil 100 des Rezirkulationsweges geleitet, so daß die Wärme, welche in der ersten Teilchenkomponente vorhanden ist, auf das Medium übertragen wird. Die Bezugsziffern der Fig. 2 werden zur Bezeichnung ähnlicher Teile in Fig. 3 verwendet. Die römische Ziffer III bezeichnet den Teil des Bereichs I außerhalb des Bereiches II im Inneren der Brennkammer 16.

Wie in Fig. 3 dargestellt, gehen die im Gasstrom mitgeführten Feststoffe aus dem Bereich III über die Leitung 70 in den primären Abscheider 36 über. Die festen Teilchen der ersten Bettkomponente 60, beispielsweise Teilchen aus feinem Mineral Speculite, werden aus der Unterströmung des Abscheiders 36 in einen Wärmeaustauscher 100 mit beweglichem Bett abgegeben. Der Wärmeaustauscher 100 bildet einen Teil des Rezirkulationsweges für die ersten Teilchenkomponente 60 durch die Leitung 76a und den Bereich II. In dem Wärmeaustauscher 100 wird ein Wärmeübertragungsmittel (Kühlmittel), beispielsweise Wasser, durch ein Speisewasserrohr 102 und von dort durch Wärmeübertragungsrohre 104 geleitet und dann durch ein heißes Kühlmittel oder Dampfrohr 106 abgegeben. Die rezirkulierenden Bett-Teilchen strömen nach unten um die Rohre 104 herum, so daß die in den Bett-Teilchen enthaltene Wärme durch die Rohre 104 auf das Kühlmittel übertragen wird.

Die Wärmeaustauschanordnung nach Fig. 3 kann verwendet werden, um die Größe der benötigten Wärmeübergangsfläche in der Brennkammer 16 zu verringern oder sogar zur Beseitigung der Notwendigkeit für Dampfrohre in der Brennkammer. Anstelle des Wärmeaustauschers 100 mit beweglichem Bett und Rohr kann ein dichtes Fließbett oder ein anderer Wärmeaustauscher verwendet werden.

Die Fig. 4 zeigt ein System zur Durchführung einer zweistufigen Verbrennung gemäß der Erfindung. Hier wird eine erste Stufe mit Sauerstoffunterschuß betrieben und es folgt eine zweite Stufe mit Betrieb im Sauerstoffüberschuß. Dieser Lösungsweg ist hauptsächlich zweckmäßig zur Verringerung der Emission von NO_x.

Obwohl die zweistufige Verbrennung an sich bereits von anderen früher vorgeschlagen wurde, haben die früheren Vorschläge die Probleme nicht zufriedenstellend gelöst, welche als Ergebnis der Bildung von CaS in der Zone mit Sauerstoffunterschuß entstehen. Das Material CaS ist nicht geeignet zur Beseitigung in einer Mülldeponie auf dem Lande. Eine weitere Schwierigkeit bei den vorbekannten Vorschlägen für eine Zweistufen-Verbrennungsanlage ergibt sich aus der kurzen Verweilzeit und der unzureichenden Durchmischung, welche in der zweiten Stufe erhalten wird.

In der Anordnung nach Fig. 4 wird der Bereich mit dem dichten Fließbett unter Verhältnissen mit Sauerstoffunterschuß betrieben und oberhalb der Oberfläche des dichten Fließbettes wird Luft eingeleitet, um die vorhandenen reduzierenden Gase zusammen mit dem CaS zu oxidieren, welches mit dem im Gasstrom mitgeführten Bettmaterial mitgeführt wird.

Der hohe Grad der Turbulenz in dem Bereich des im Gasstrom mitgeführten Fließbettes ergibt den Mechanismus zur Steigerung der interessierenden physikalischen und chemischen Reaktionen in diesem Prozeß. Es können Wärmeübergangsflächen vorgesehen werden, um die Wärme abzuführen, welche bei der Verbrennung in dieser im Gasstrom mitgeführten Zone entsteht, so daß der Wirkungsgrad für die Beseitigung von SO₂ groß bleibt. Die Reaktion zur Reduktion von NO_x

2NO+2C→N₂+2CO

kann optimal gestaltet werden, ohne die Erfordernisse für die Wärmeübergangsfläche ernsthaft zu beeinträchtigen. Durch die Verwendung von feinen Teilchen aus Kalkstein werden die Reaktionen zwischen Feststoff und Gas gesteigert, welche für den erfolgreichen Betrieb benötigt werden.

In der Fig. 4 werden die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 2 zur Bezeichnung ähnlicher Teile verwendet. Ein beachtlicher Unterschied zwischen der Fig. 2 und der Fig. 4 besteht darin, daß die Zuführungsleitung 34 für die zur Wirbelschichtbildung verwendete Luft in zwei Teile 34a und 34b aufgeteilt ist. Der durch die Leitung 34a zugeführte Teil der Luft wird dem dichten Fließbett im Bereich II mit einer Geschwindigkeit zugeführt, welche ausreicht zur Fließbett- oder Wirbelschichtbildung der zweiten Komponententeilchen 62 in diesem Bett und zur Aufrechterhaltung der Zirkulation der Teilchen der ersten Komponente 60 durch das Fließbett, während mindestens der Hauptteil des dichten Fließbettes mit Sauerstoffunterschuß betrieben wird. Der andere Teil der zur Fließbettbildung verwendeten Luft wird durch den Leitungsteil 34b zugeführt und dem im Gasstrom mitgeführten Fließbett im Bereich III zugeführt, so daß mindestens der Hauptteil dieses im Gasstrom mitgeführten Fließbettes mit Sauerstoffüberschuß betrieben wird.

Ein Wärmeübertragungsmedium, beispielsweise Dampfkesselspeisewasser, wird über Wasser und Dampfleitungen 58a und 58b durch Dampfkesselrohre wie bei 58 durch mindestens einen Teil (Bereich III) des ersten Raumbereiches I (Fig. 2) geleitet, um auf diese Weise dort die Wärmeenergie abzuführen.

Da der kohlenstoffhaltige Brennstoff aus Kohle mit einem hohen Schwefelgehalt besteht, wird in diesem Falle ein Absorptionsmittel für Schwefel, d. h. Kalkstein, ebenfalls mit der Kohle zusammen durch die Leitung 18 in das Fließbettsystem eingebracht und insbesondere in das dichte Fließbett oberhalb des Verteilungsstückes 66. Die Verwendung von pulverisiertem Kalkstein, beispielsweise mit einer Teilchengröße von <0,044 mm zusammen mit dem vorstehend beschriebenen Betrieb bei niedriger Temperatur gewährleistet, daß das in dem dichten Fließbett gebildete CaS in der Form von feinen Teilchen vorliegt, welche nach oben in den Bereich III und in das im Gas mitgeführte Fließbett getragen werden. Hier werden sie infolge des Überschusses an Sauerstoff zu CaSO₄ oxidiert und außerdem wegen ihrer recht großen Verweildauer in dem Bereich III, die sich aus der Anwesenheit der ersten festen Bett-Teilchenkomponente 60 in diesem im Gasstrom mitgeführten Fließbett ergibt. Gleichzeitig wird durch das Durchleiten des Wärmeübertragungsmittels durch diesen Bereich das im Gasstrom mitgeführte Material auf einer genügend niedrigen Temperatur gehalten, um eine Zersetzung des Sulfats zu verhindern, die sonst zu einer Regeneration von SO₂ führen würde. Wie bereits vorstehend ausgeführt, wurde ein Brennkammersystem ähnlich dem in Fig. 2 gezeigten System mit einer Höhe von etwa 3 m und einem Durchmesser von etwa 15 cm konstruiert und betrieben. Dabei wurde eine Kohlesorte Illinois Nr. 6 verbrannt, welche etwa 3,9% Schwefel enthält, und dabei wurden die nachstehend aufgeführten Ergebnisse erhalten. Als zweite feste Teilchenkomponente 62 wurde das "grobe" Mineral Speculite (Teilchengröße entsprechend einer lichten Maschenweite von 1,41-1,00 mm) mit der vorstehend angegebenen Siebanalyse verwendet. Als erste feste Bett-Teilchenkomponente 60 wurde in einer Gruppe der Versuche das "feine" Mineral Speculite (Teilchengröße entsprechend einer Maschenweite von 1,00-0,111 mm) mit der vorstehend angegebenen Siebanalyse verwendet.

Schichtdicke des groben Speculite ohne Wirbelschichtbildung
ca. 38 cm
Einsatzgeschwindigkeit für die Kohle	ca. 25 kg/h
Teilchengröße der Kohle	kleiner als lichte Maschenweite von etwa 2,4 mm
Einsatzgeschwindigkeit für pulverisierten Kalkstein	etwa 5,4 kg/h
Teilchengröße für pulverisierten Kalkstein	größer als lichte Maschenweite von etwa 0,044 mm
Temperatur des dichten Fließbettes	etwa 900°C
Temperatur des im Gasstrom mitgeführten Bettes	etwa 738°C
Molverhältnis Kalzium/Schwefel	1,5
Schwefelausscheidung	85%
Wärmeübergangskoeffizient für das dichte Fließbett	312 kcal/m²h°C
Wärmeübergangskoeffizient für das im Gasstrom mitgeführte Fließbett	161 kcal/m²h°C
Wirkungsgrad der Verbrennung	größer als 90%

Claims

1. Verfahren zur Umsetzung von mindestens zwei Reaktanten, von denen der eine aus festem, teilchenförmigen Material besteht und der andere gasförmig ist, insbesondere zur Verbrennung von Kohle mit hohem Schwefelgehalt zwecks Erzeugung von Hochdruckdampf, wobei die Umsetzung in einem Fließbettsystem durchgeführt wird, das feinere und inerte, gröbere Feststoffteilchen aufweist, und wobei das Fließbettsystem mit einer solchen Gasgeschwindigkeit betrieben wird, daß die feineren Feststoffteilchen aus einem ersten Raumbereich oberhalb eines in diesem enthaltenen zweiten Raumbereichs ausgetragen und die im zweiten Raumbereich zurückgehaltenen inerten, gröberen Feststoffteilchen ein dichtes Fließbett bilden, und die ausgetragenen feineren Feststoffteilchen abgeschieden und in den zweiten Raumbereich am unteren Ende zurückgekehrt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das dichte Fließbett in einem Behälter mit einem zylindrischen oder prismatischen Teil gehalten wird, wobei die inerten, gröberen Teilchen den zylindrischen oder prismatischen Teil im Zustand ohne Wirbelschichtbildung in einer Höhe von wenigstens 25 cm füllen und eine solche Menge an diesen inerten, gröberen Teilchen verwendet wird, daß die Bewegung der dem dichten Fließbett zugeführten Teilchen des/der Reaktanten so gehemmt wird, daß sich eine solche Verweilzeit derselben im dichten Fließbett ergibt, bei der der Hauptteil des/der Reaktanten in diesem Fließbett vollständig umgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasgeschwindigkeit (bezogen auf das Leerrohr) im Fließbettsystem im Bereich von 6 bis 12 m/s liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als feinere Feststoffteilchen Teilchen aus Calcium- und/oder Magnesiumcarbonat verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des dichten Fließbetts Teilchen aus Metall oder Metalloxid, vorzugsweise Aluminiumoxid, Nickeloxid oder Eisenoxid, insbesondere Hämatit, verwendet werden.