DE2734177C2 - Wirbelschichtofen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtofen, insbesondere eine Vorrichtung zum Ableiten der Wärme aus einer Wirbelschicht die auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten von aus von einem wärmeaufnehmenden Medium durchflossenen Rohren gebildeten Wänden begrenzt ist

Es ist bekannt die Wärme aus Wirbelschichten, z. B. bei der Röstung von Pyriten, durch in die Schicht eintauchende, von einem Kühlmittel durchflossene Rohre eines Wärmetauschers abzuführen. Häufig wurden hierzu sogenannte Field-Rohre in lotrechter, waagerechter oder auch leicht gegen die Horizontale geneigter Anordnung vorgesehen (GB-PS 7 12 899).

Ί jüngerer Zeit wächst das Interesse an der Wirbelschicht- oder Fließbettfeuerung, bei der Brennbares (Kohle, öl, Abfälle u.dgl.) in einer wirbelnden oder fluidisierten Schicht aus inerten Materialien verbrannt wird. Die Fließbettfeuerung hat den Vorteil einer sehr hohen Wärmeübertragung in der Brennzone, so daß man trotz relativ niedriger Temperaturen (im Bereich um 800° C) in der Brennzone bzw. im Bett mit höheren Wärmeleistungen der eingebauten Kühl- oder Wärmeaustauschflächen rechnen kann als in üblichen Strahlungsräumen. Versuche haben ergeben, daß bei mit einer Neigung gegen die Horizontale angeordneten Rohrer die Wärmeübertragung geringer ist (bei 45° Neigung ist sie am geringsten) als bei waagerecht angeordneten Rohren. Für die Höhe des Wärmeübergangskoeffizienten dürfte wohl die Berührungszeit der fließenden Teilchen mit dem Wärmeaustauscherrohr von Bedeu"tng sein, denn es hat sich gezeigt, daß, je kürzer die ι eilchenberührungszeit ist, der Wärmeübergangskoeffizient umso höher wird. Da bei waagerecht angeordneten Rohren die Teilchen sich am Rohrumfang auf- und abbewegen, ist die Berührungszeit kurz, die Wärmeübertragung ist also gut. Bei vertikaler Anordnung der Rohre ist die Berührungszeit länger, was den Wärmeübergang negativ beeinflußt.
Bei einem bekannten Naturumlauf-Wärmetauscher mit Fließbettfeuerung (Zeitschrift »Works Engineering«, July 1972, pg. 19) sind schwach geneigte Rohre im Fließbett angeordnet, die beidseits in die das Fließbett seitlich begrenzenden zylindrischen Wänden eingeschweißt sind. Eine solche Ausbildung bedingt, daß die beidseits eingespannten Rohre sich nicht individuell ausdehnen können, vielmehr unterliegen sie Druckspannungen bzw. üben Druck auf die Fließbettbegrenzungswände aus. Die Rohre sind schlecht bzw. nahezu unmöglich auszuwechseln, wenn sie beschädigt sind.

Eine Beschädigung solcher Rohre ist praktisch wegen der erwähnten Druckspannungen besonders oft zu erwarten.
Diese Probleme können ausgeschaltet werden, wenn

die im Fließbett liegenden Rohre von einem Kühlmittel durchströmt werden, da man dann in der Anordnung der Rohre frei ist, d. k, sie können auch genau horizontal und ohne Einspannung verlegt werden. Ein Wärmetauscher dieser Art ist aus der Zeitschrift »The Steam and Heating Engineer«, March 1971, pg. 6/7 und April 1971, pg. 28/29 bekanntgeworden. Diese Art eines Wärmetauschers bedingt einen erhöhten Energieaufwand und den Preis für die Pumpenanlage (eine Reservepumpe ist Vorschrift). Weiterhin müssen die Rohre an den Wänden ausgebogen oder besonders gestaltet werden, um ein Durchführen der im Fließbett unterzubringenden Wärmetauscherrohre zu ermöglichen, d. h, daß die Fließbettbegrenzungswände Durchbrechungen aufweisen müssen und nicht als ununterbrochene Wände ausgebildet werden können.

Es ist allgemein bekannt bei Dampferzeugern oder ähnlichen Wärmetauschern die Wände des Feuerraum«;s durch Kühlflächen, d.h. durch von Wärme aufnehmenden Medien durchflossene Roh^re zu kühlen (DE-AA N 3 379 VIa/18a>.Solche Kühlflächen haben im allgemeinen einen für sich getrennten Umlauf und geben keinen Hinweis dafür, wie die Rohre eine geschlossene Wand bilden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ableiten der Wärme aus einer Wirbelschicht oder einem Fließbett zu schaffen, die im Naturumlauf arbeiten kann, deren im Fließbett liegende Rohre waagerecht angeordnet werden können und dennoch einen gesicherten Umlauf aufweisen, wobei aber die das Fließbett seitlich begrenzenden Wände ohne Unterbrechung ausgeführt werden können und wobei ferner ein Ersatz etwa beschädigter Rohre in einfachster Weise erfolgen kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Wandrohre lotrecht angeordnet und mit einem unteren Verteiler- sowie oberen Sammlersystem für die Zu- bzw. Ableitung eines wärmeaufnehmenden Mediums verbunden sind und daß an einigen der Wandrohre im Bereich der Wirbelschicht jeweils mehrere in diese hineinragende U-förmig gebogene Rohre mit horizontalen oder annähernd horizontalen Schenkeln angeschlossen sind, die zu einer in einer lotrechten Ebene liegenden wärmeaufnehmenden Fläche zusammengefaßt sind, deren Erstreckung in waagerechter Richtung ein Mehrfaches der Erstreckung in lotrechter Richtung beträgt. In den praktisch auf ihrer ganzen Länge beheizten, im unteren Bereich stark beheizten Wandrohren wird ein starker Auftrieb erzeugt, der den Kühlmittelfluß auch in den waagerechten Strecken der in der Wirbelschicht liegenden Rohre sicherstellt.

Eine Verstärkung des Umlaufes in den in der Wirbelschicht liegenden Rohren kann noch dadurch erreicht werden, daß wenigstens an denjenigen lotrechten Wandrohren, die im unteren Teil in die Wirbelschicht hineinragende Rohre tragen, im Freiraum oberhalb der Wirbelschicht weitere wärmeaufnehmende Heizflächen angeschlossen sind. Diese im Freiraum angeordneten weiteren Heizflächen erzeugen durch ihre Beheizung einen zusätzlichen Auftrieb, der eine Saugwirkung auf die in der Wirbelschicht liegenden Heizflächen ausübt, der zu dem in den auf ganzer Länge beheizten Wandrohren erzeugten Auftrieb noch hinzutritt. Damit ist der Kühlmittelfluß gesichert, eine besondere Pumpe entfällt somit.

Vorzugsweise wird zwischen den Anschlußstellen des innersten U-förmigen Rohres der in die Wirbelschicht

unter Pumpendruck

eintauchenden Heizflächen :m Wandrohr eine Drosseloder Abschlußscheibe angeordnet, die dem wärmeaufnehmenden Medium ein Strömen in die U-Rohre aufzwingt Ist eine Drosseischeibe vorhanden, d. h. eine Scheibe, die noch eine gewisse Vorbeiströmung zuläßt, so is: der die Strömung ermöglichende Durchtritt an der beheizten Seite des Wandrohres voi zusehen.

Die im Freiraum liegenden Heizflächen können ebenfalls aus U-förmigen Rohren gebildet sein, vorzugsweise werden jedoch mäanderförmig gebogene Rohre vorgesehen, da eine solche Ausbildung eine größere Heizfläche mit höherer Wärmeaufnahme ergibt. Zwischen den Anschlußstellen der innersten U-förmigen Rohre einer jeden wärmeaufnehmenden Heizfläche bzw. zwischen den Anschlußstellen der innersten mäanderförmig gebogenen Rohre wird im zugehörigen Wandrohr ebenfalls eine Drossel- oder Abschlußscheibe angeordnet, die dem wärmeaufnehmenden Medium ein Strömen in diese Rohre aufzwingt. Auch hier ist bei einer Drosselscheibe, die eine gewisse Vorbeiströmung zuläßt, der die Strömung ermöglichende Durchtritt an der beheizten Seite des Wandrohres vorzusehen.

Da die Wandrohre selbst als Zu- und Ableitungen für die Heizflächen dienen, brauchen irgendwelche Durchbrechungen in der Wand nicht vorgesehen zu werden, d. h, die Wand ist einfach aufzubauen und dicht zu halten, wobei Flossenrohre, befloßte Rohre oder dicht liegende Rohre mit außen liegender Blechverkleidung angewendet werden können.

Ein Ersatz etwa beschädigter Rohre ist auf einfachste Weise zu bewerkstelligen, indem entweder das gesamte Wandrohr mit seiner wärmeaufnehmenden Fläche durch Abtrennen am Verteiler und Sammler herausgenommen wird oder nur der diese Fläche tragende Rohrabschnitt herausgetrennt und durch einen neu einzuschweißenden ersetzt wird.

Durch die Erfindung ist auch die Möglichkeit gegeben, die gesamte wärmeaufnehmende, in der Wirbelschicht liegende Fläche zu verändern, indem die Zahl der U-förmigen, an einem Wandrohr parallelgeschalteten Rohre geändert wird. Diese Möglichkeit ist von besonderer Bedeutung, um die wärmeaufnehmende Fläche geänderten Bedingungen, z. B. in bezug auf Leistung, Brennstoff usw., anpassen zu können.

Von Vorteil ist es auch, daß man in der Anordnung der wärmeabführenden Flächen insoweit auch freie Hand hat, als diese an gegenüberliegenden Wänden so angebracht werden können, daß zwei Flächen jeweils in der gleichen lotrechten Ebene oder in verschiedenen lotrechten Ebenen liegen können, wobei im letztgenannten Fall die Flächen auch noch zahnartig mehr oder weniger weit ineinandergreifen können.

Da die mit Heizflächen versehenen Wandrohre am gleichen Verteiler angeschlossen sind, von dem auch Wandrohre ausgehen, die keine Heizflächen tragen, die also ohne Unterbrechung glatt durchlaufen, denn die in der Wirbelschicht liegenden Heizflächen müssen einen gewissen seitlichen Abstand zueinander haben, um die Verwirbelung des Betts nicht zu beeinträchtigen, werden in den letztgenannten Wandrohren Drosseln vorgesehen,, die den Widerstand dieser Rohre an den Widerstand der Heizflächen tragenden Wandrohre anpassen, so daß eine weitgehend gleichmäßige Küiilmittelversorgung aller Wandrohre sichergestellt ist.

Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung.

F i g. 1 ist ein lotrechter Längsschnitt durch einen

schematisch dargestellten Wärmetauscher mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung nach einer eisten Ausführungsform.

Fig.2 zeigt den Schnitt nach der Linie H-Il in der Fig.l.

Fig.3 ist ein lotrechter Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten Wärmetauscher mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung nach einer zweiten Ausführungsform.

Fig.4 zeigt den Schnitt nach der Linie IV-IV in der F ig. 3.

Bei dem Wärmetauscher nach F i g. 1 und 2 — ein Dampferzeuger ist als Beispiel gewählt — begrenzen von einem Kühlmittel durchströmte Rohre 2 und 4, an einer Vorder- bzw. Rückwand sowie Rohre Γ an den Seitenwänden einen rechteckigen Raum 6, an dessen Boden eine Düsenplatte 19 angeordnet ist, aus der der Luftkammer 20 zugeführte Luft unter Druck in den Raum 6 einströmt. Die Düsenplatte 19 trägt eine lose, inerte, kugel- oder körnchenartige Masse, die durch die Luft zum Fließen oder Wirbeln gebracht wird und ein Fließbett oder eine Wirbelschicht bildet. In diese wirbelnde Schicht wird Brennbares von oben her durch eine oder mehrere (nicht gezeigte) Zufuhranordnung eingebracht Zur Abfuhr der entstehenden Wärme dienen von einem Kühlmittel oder wärmeaufnehmenden Mittel durchströmte Rohre 7a, die an den Wandrohren Γ ein- und austrittsseitig angeschlossen sind.

Die Rohre 7 a sind U-förmig gebogen, und mehrere Rohre 7a bilden eine wärmeaufnehmende Fläche T in einer lotrechten Ebene, deren horizontale Erstreckung um ein Mehrfaches größer ist als die lotrechte Erstreckung. Zwischen den Anschlußenden des innersten U-Rohres 7" ist im zugehörigen Wandrohr Γ vorzugsweise eine Drossel- oder Abschlußscheibe eingesetzt, die einen Kühlmittelfluß durch die U-Rohre 7a erzwingt.

Die Wandrohre 1' und 2 sowie 4 stehen mit einem unteren Verteilersystem aus Längsverteilern 9 sowie Querverteilern 12 und 14 in Verbindung. An ihren oberen Enden münden die Wandrohre Γ in Längssammler 10 ein, während die Wandrohre 2 und 4 an Quersammler 13 bzw. i5 angeschlossen sind. Dem Verteilersystem wird über Fallrohre 18 und Rücklaufrohre 17 Wasser zugeführt, das in den beheizten Rohren erzeugte Dampf-Wassergemisch wird durch das Sammlersystem der Trommel 11 zugeführt, in die vom Sammlersystem ausgehende Dampfüberströmrohre 16 ebenfalls eintreten.

Die bei der Ve-brennung in der Wirbelschicht entstandenen Heizgase durchströmen noch den Brennraum 6 oben begrenzende, wärmeaufnehmenden Flächen und werden dann in Richtung des Pfeils 26 nachgeschalteten Filtern, Staubabscheidern u. dgl. zügeführt.

Der Wärmetauscher nach F i g. 3 und 4 — wieder ist ein Dampferzeuger als Beispiel gewählt — weist einen Raum mit rechteckigem Querschnitt auf, der an seinen gegenüberliegenden Seitenwänden von Wandrohren 1, 5' begrenzt ist An der Frontwand des Wärmetauschers liegen die Frontwandrohre 2, die über einem Abteil 3 zu Deckenrohren und dann wieder zu Wandrohren abgebogen sind. Die Rückwand des Wärmetauschers wird von Wandrohren 4 verkleidet, die über einem Abteil 5 Deckenrohre bilden und dann wieder zu Wandrohren abgebogen sind. Über dem zwischen den beiden Abteilen 3 und 5 liegenden mittleren Abteil 6 befindet sich ein durch die oberen Strecken der Rohre 2 und 4 auf einen geringeren Querschnitt beschränkter Gaszug mit Verdampferheizflächen 7 und weiteren nachgeschalteten Heizflächen 8 (Ekonomiser, Luftvorwärmer od. dgl.).

Die Wandrohre 1, Γ gehen von unteren Längsverteilern 9 aus und münden in obere Längssammler 10, 10' ein, die mit der Dampf abscheidetrommel 11 unmittelbar (Sammler 10) oder über eine Ableitung 10" (Sammler 10') verbunden sind. Die Frontwandrohre 2 gehen von einem Querverteiler 12 aus, der mit den Längsverteilern 9 verbunden ist, und münden in einen an die Längssammler 10 angeschlossenen Querverteiler 13. Die Rückwandrohre 4 sind an den Querverteiler 14 und Quersammler 15 angeschlossen, die ebenfalls mit den Längsverteilern bzw. -Sammlern verbunden sind.

Von den oberen Sammlern führen Dampfüberströmrohre 16 zur Dampfabscheidetrommel 11, vorabgeschiedenes Wasser wird unter Umgehung der Trommel 11 über unbeheizte Rücklaufrohre 17 den Verteilern zugeführt, die auch über Fallrohre 18 von der Trommel her mit Wasser versorgt werden.

Der Boden der drei Abteile 3,5 und 6 wird von einer Loch- oder Düsenplatte 19 gebildet, unter der sich für jedes der Abteile je eine eigene Luftkammer 20 befindet. Die in die Kammern 20 eingeblasene Luft tritt durch die Platte 19, auf der eine Schicht aus inerten Materialien liegt, die dadurch zum Wirbeln oder Fließen gebracht wird. Die Oberfläche 21 der Wirbelschicht liegt im allgemeinen etwas unter der Oberkante der die Abteile 3,5 und 6 voneinander trennenden Wände 22.

In die Abteile 3 und 6 wird Brennbares über (nicht gezeigte) Zufuhranordnungen eingebracht. Das Abteil 5 ist eine Nachverbrennungskammer (carbon burn-up cell), der im Abscheider 23 aus den Gasen ausgeschieden nes Brennbares wieder zugeführt wird. Im Abteil 3 liegt im wesentlichen in die Wirbelschicht eintauchend, ein Überhitzer 24. Im Abteil 6 sind an den Wandrohren Γ die Verdampferheizflächen 7 und T angeschlossen, wobei die Heizflächen 7' ebenfalls im wesentlichen in die Wirbelschicht eintauchen.

Wie Fig.4 zeigt, bestehen die Heizflächen T aus mehreren U-förmig gebogenen Rohren 7a, die arbeitsmittelein- und -austrittsseitig mit den Rohren Γ verbunden sind, wobei am gleichen Wandrohr 1' angeschlossene U-Rohre 7a in einer gemeinsamen lotrechten Ebene liegen. Wenigstens an denjenigen Rohren Γ, die Heizflächen T tragen, sind in den Freiraum oder Gaszug oberhalb der Wirbelschicht hineinragende, mäanderförmig gebogene Rohre Ib angeschlossen, die die Heizflächen 7 bilden. Auch diese Rohre Tb sind arbeitsmittelein- und -austrittsseitig mit den Wandrohren Γ verbunden und sie liegen am jeweiligen Wandrohr in einer lotrechten Ebene. Vorzugsweise ist jedes Wandrohr Γ, an dem mäanderförmige Rohre Tb angebracht sind, mit einem eigenen unbeheizten Rücklaufrohr 25 versehen.

Bei den als Beispiel gezeigten Wirbelschicht-Wärmetauschern sind an den gegenüberliegenden Wandrohren 1' gleichartig ausgebildete wärmeaufnehmende Flächen 7, T in gegenständiger Anordnung angebracht, die in der gleichen lotrechten Ebene liegen. Eine versetzte Anordnung der von gegenüberliegenden Wänden ausgehenden wärmeaufnehmenden Flächen 7, T kann in bezug auf die Verwirbelung der wärmeübertragenden Teilchen und auf den Wärmeübergang auf die Flächen 7, T von Vorteil sein. Auch ist es bei der versetzten Anordnung möglich, die wärmeaufnehmenden Flächen

7, 7' mehr oder weniger weil /ahnartig ineinandergreifen zu lassen, wodurch u. a. der Wärmeentzug aus dem Zentrum der Wirbelschicht erhöht und dem in den wandnahen Bereichen angepaßt werden kann, in welchen Bereichen die Wandrohre selbst auch eine Kühlwirkung ausüben.

Hierzu 4 Blatl Zeichnungen

Claims (11)

1 Patentansprüche:

1. Wirbelschichtofen mit einer Vorrichtung zum Ableiten der bei einem Rost- oder Verbrennungsvorgang entwickelten Wärme aus der Wirbelschicht, die auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten von aus von einem wärmeaufnehmenden Medium durchflossenen Rohren gebildeten Wänden begrenzt ist wobei die Wandrohre lotrecht angeordnet und mit einem Verteiler- sowie Sammlersystem für die Zu- bzw. Ableitung des wärmeaufnehmenden Mediums verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß an einigen der eine geschlossene Wand bildenden, im Naturumlauf durchströmten Wandrohre (1') im Bereich der Wirbelschicht jeweils mehrere in diese hineinragende, U-förmig gebogene Rohre (7a) mit horizontalen oder annähernd horizontalen Schenkeln angeschlossen sind, die zu einer in einer lotrechten Ebene liegenden wärmeaufnehmenden Heizfläche (7') zusammengefaßt sind, deren Erstreckung in waagerechter Richtung ein Mehrfaches der Erstreckung in lotrechter Richtung beträgt

2. Wirbelschichtofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß wenigstens an denjenigen lotrechten Wandrohren (V), die im unteren Teil in die Wirbelschicht hineinragende Rohre (7a) tragen, im Freiraum oberhalb der Wirbelschicht (21) weitere wärmeaufnehmende Heizflächen (7) angeschlossen sind.

3. Wirbelschichtofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die weiteren Heizflächen (7) ebenfalls aus U-förmig gebogenen Rohren gebildet sind.

4. Wirbelschichtofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Heizflächen (7) aus mäanderförmig gebogenen Rohren (7b) gebildet sind.

5. Wirbelschichtofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Anschlußstellen des innersten U-förmigen Rohres (7") einer jeden wärmeaufnehmenden Heizfläche (7') im zugehörigen Wandrohr (1') eine Drossel- oder Abschlußscheibe angeordnet ist.

6. Wirbelschichtofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß zwischen den Anschlußstellen des innersten U- bzw. mäanderförmig gebogenen Rohres einer jeden weiteren Heizfläche (7) im zugehörigen Wandrohr (V) eine Drossel- oder Abschlußscheibe angeordnet ist.

7. Wirbelschichtofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an einander gegenüberliegenden Wänden gegenständig zueinander gleichartig ausgebildete wärmeaufnehmende Flächen (7, 7') angeordnet sind, deren von den Wandrohren (V) entfernt liegende Rohrstrecken bis etwa zur Mitte des von den Wandrohren (V) begrenzten Raumes (6) reichen.

8. Wirbelschichtofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an gegenüberliegenden Wänden angeschlossenen wärmeaufnehmenden Flächen jeweils in gleichen lotrechten Ebenen liegen.

9. Wirbelschichtofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an gegenüberliegenden Wänden angeschlossenen wärmeaufnehmenden Flächen jeweils in verschiedenen lotrechten Ebenen liegen.

10. Wirbelschichtofen nach Anspruch!), dadurch gekennzeichnet daß die wärmeaufnehmenden Flächen wenigstens auf einem Teil ihrer horizontalen Erstreckung zahnartig ineinandergreifen.

11. Wirbelschichtofen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß in nicht mit Heizflächen (7') versehenen, vom Verteiler- zum Sammlersystem ununterbrochen durchlaufenden Wandrohren (V) Drosseln angeordnet sind, die den Widerstand dieser Rohre an denjenigen der Heizflächen (7') tragenden Rohre (V) anpassen.