DE2804073A1

DE2804073A1 - Wirbelschicht-verbrennungs- und waermeuebertragungsvorrichtung sowie verfahren zum betreiben einer solchen vorrichtung

Info

Publication number: DE2804073A1
Application number: DE19782804073
Authority: DE
Inventors: William Benedict Johnson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-01-31
Filing date: 1978-01-31
Publication date: 1978-08-10
Also published as: JPS53124332A; JPS6240601B2; DE2804073C2; CA1096707A; CA1108936A; GB1601231A; BR7800566A; AU3282978A; AU515289B2

Description

Be s ehre ibung

Die Erfindung bezieht sich auf die sogenannte Wirbelschicht-Verbrennung, und insbesondere auf bestimmte, neue und nützliche Verbesserungen an Wirbelschicht-Kesseln sowie auf Verfahren zum Betreiben solcher Kessel und der entsprechenden Vorrichtungen .

Brennbare Materialien, wie beispielsweise eine Vielzahl von fossilen Brennstoffen, sind in Wirbelschicht-Vorrichtungen verbrannt worden, wie beispielsweise Kesseln, um Wärme zu erzeugen, indem ein Wärmetauscherfluid, wie beispielsweise Wasser, in Wärmeaustauschbeziehung durch das Wirbelbett geführt wird, so daß aus dem Wasser Dampf entsteht- Die Wirbelschicht-Verbrennung ist seit langem bekannt und Gegenstand intensiver Forschungen und Entwicklungen gewesen; ein Überblick über dieses technische Gebiet kann der folgenden Veröffentlichung entnommen werden:"Fluidized-Bed Combustion Review" von H. Nack et al, Batelle, Columbus, Ohio, präsentiert auf der International Conference on Fluidization, Juni 1975, Asilomar, Californien; auf diese Veröffentlichung wird ausdrücklich Bezug genommen.

Im allgemeinen weist ein Wirbelschicht-Kessel eine Verbrennungskammer auf, in der ein teilchenförmiger Brennstoff, wie beispielsweise Kohle, einer Wirbelschicht aus teilchenförmigem Material zugeführt wird, indem Luft durch die Wirbelschicht geschickt wird, um die Verbrennung des Brennstoffs zu unterstützen. Die Wirbelschicht enthält im allgemeinen Teilchen aus inertem Material; außerdem kann sie Dolomit, Kalkstein oder andere Materialien enthalten, die den Schwefel oder andere, unerwünschte Zusätze in dem zu verbrennenden Brennstoff absorbieren oder mit ihm reagieren können. Die Wirbelschicht

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ist oft relativ flach; außerdem sind oft Wärmetauscherrohre in die Wirbelschicht eingetaucht, um die Wärmeübertragung von den erhitzten Teilchen auf das Wasser durchzuführen, das durch die Wärmetauscherrohre fließt. In einigen Fällen werden zusätzliche Rohre mit Wasser in dem Raum über der Wirbelschicht angeordnet.

Die Wirbelschicht-Verbrennung läuft im allgemeinen bei Temperaturen von 815,56°C (1500°F) bis 926,67°C (1700°F) ab; diese Temperaturen liegen unter den Temperaturen, die in herkömmlichen Kesseln mit nicht fluidisierten Schichten auftreten, so daß sich wesentlich weniger Stickoxid-Gase ergeben- Solche Wirbelschicht-Kessel sind sehr zweckmäßig, insbesondere mit festen Brennstoffen, wie beispielsweise Kohle, da keine Vormischung der Luft in dem Brennstoff erforderlich ist und mit geringeren Temperaturen gearbeitet werden kann; weiterhin ergeben sich keine Schlackenablagerungen auf der Kühloberfläche, während gleichzeitig eine sehr hohe Wärmeübertragungsgeschwindigkeit auf die Oberfläche erhalten wird.

Beim Betrieb der verschiedenen Ausführungsformen von herkömmlichen Wirbelschicht-Verbrennungseinrichtungen, wie beispielsweise Verbrennungsofen, Veraschungseinrichtungen und Kesseln, ist ein Teil der Wirbelschicht durch verschiedene Verfahren rezirkuliert worden, um die Wärmeerzeugung oder den Wirkungsgrad des Kessels zu verbessern; die Rezirkulation einer Wirbelschicht in einem Verbrennungsofen wird beispielsweise in der US-PS 3 702 595 beschrieben; die Rezirkulation einer Wirbelschicht aus einem Kohle und Feststoffe absorbierenden Material in einer gestapelten Wirbelschichtanordnung wird beispielsweise in der US-PS 3 905 336 erläutert; und die interne Rezirkulation in einer Wirbelschichtvorrichtung wird beispielsweise in der US-PS 3 910 235 beschrieben.

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Bei den herkömmlichen Wirbelschicht-Kesseln und den Druckbedingungen , unter denen sie betrieben werden, treten jedoch bestimmte Probleme auf, und zwar insbesondere dann, wenn die Wärmetauscherrohre in die Wirbelschicht eingeführt werden. Diese Wärmetauscherrohre behindern oft die Strömung der Teilchen der Wirbelschicht, stellen schwierige Halterungsprobleme bei den verwendeten Temperaturen und begrenzen die Fluidisierung der Schicht durch die Bildung von "toten Flecken" in der Schicht. Die Fluidisierung ist bei solchen Systemen verbessert worden, indem die Luftgeschwindigkeit durch die Schicht aus Feststoffen erhöht worden ist; dadurch entsteht jedoch gleichzeitig ein weiteres Problem, da die Gefahr besteht, daß die feineren Teilchen der Schicht aus der Wirbelschicht herausgetragen werden können. Um zu verhindern, daß zu viele Teilchen aus der Wirbelschicht herausgetragen werden, sind für die Wirbelschicht größere Teilchen eingesetzt worden, das heißt, Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von ungefähr 500 Mikron, wobei in einem typischen Fall Teilchen mit einer Größe von 300 bis 450 Mikron eingesetzt werden; dies muß mit der üblichen, mittleren Teilchengröße verglichen werden, die im Bereich von ungefähr 100 bis 150 Mikron liegt. Durch die Verwendung von größeren Teilchen verringert sich jedoch die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit aufgrund der verringerten Oberfläche pro Gewichtseinheit der größeren Teilchen; außerdem entstehen in der Wirbelschicht instabile Strömungsbedingungen, die zur Bildung von großen Blasen führen; dadurch verringert sich wiederum die Wirksamkeit des Kontaktes und der Wirkungsgrad der Verbrennung. Aus diesen Gründen wird in den meisten Wirbelschicht-Kesseln ein Kompromiß eingegangen, wobei ein Ausgleich zwischen den verschiedenen Parametern gesucht wird, nämlich der Geschwindigkeit, der Teilchengröße, dem Betriebsdruck und der Verwendung der Form, Zahl und Gestalt der Wärmetauscherrohre, die sich in der Wirbelschicht befinden, so daß sich schließlich ein Kompromiß in bezug auf den Wärmewirkungs-

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grad ergibt, der für einen bestimmten Kessel angestrebt wird.

Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Wirbelschicht-Kessel ist die relativ geringe Anzahl an Steuerpunkten, um die verschiedenen Parameter, wie beispielsweise die Temperatur und insbesondere die Betriebskapazität, zu steuern. Darüber hinaus ist vorgeschlagen worden, die Gesamtkapazität zu erhöhen, indem mehrere Wirbelschichten übereinander stapelartig angeordnet werden, während zur Steuerung der Kapazität einige der Wirbelschichten absacken bzw. zusammenfallen. Der Einsatz einer solchen Konstruktion wird jedoch durch gewisse, einzuhaltende obere Grenzen für die vertikale Abmessung beschränkt; weitere Einschränkungen ergeben sich aus statischkonstruktiven Überlegungen, insbesondere in Anbetracht der verwendeten Betriebstemperaturen; aus diesen Gründen findet diese Ausführungsform in der Praxis nur begrenzte Anwendung.

Gemäß einem weiteren Vorschlag werden die Teilchen des Wirbelbettes zu einer Kammer geführt, in der sich Wärmetauscherrohre befinden. Diese Rohre behindern jedoch die Strömung; ein weiterer, wesentlicher Nachteil ist, daß sich auf der Oberfläche der Rohre kein kontinuierliches Gemisch aus Feststoffen und Gas, sondern eine gasförmige, blasenähnliche Schicht aufbaut, wodurch der Wärmeübertragungswirkungsgrad wesentlich verringert wird, da bei der gleichen Temperatur durch den Kontakt mit Feststoffen eine sehr viel bessere Wärmeübertragung erreicht wird, als durch den Kontakt mit Gasen.

Schließlich konnten die herkömmlichen Kessel die als "Fines" bezeichneten Brennstoffe nicht verwenden; dabei handelt es sich um fein zermahlene, teilchenförmige, feste Brennstoffe (wie beispielsweise Kohle), die während des Zermalmens bzw. Grobzerkleinerns anfallen. Der Wirkungsgrad der herkömmlichen Kessel wird also dadurch weiter verringert, daß diese "Fines"

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mit dem Rauchgas verloren gehen oder überhaupt nicht ausgenutzt werden können.

Es ist deshalb das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neue und verbesserte Wirbelschicht-Kesselvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung zu schaffen. Außerdem soll eine neue und verbesserte Wirbelschicht-Kesselvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung geschaffen werden, die einen relativ hohen Wirkungsgrad der Wärmeübertragung ermöglichen, jedoch bei relativ geringen Temperaturen arbeiten können, so daß die Erzeugung von Stickoxiden begrenzt ist und geeignete Reaktionen für die Ausscheidung von SO„ eingesetzt werden können.

Weiterhin sollen eine neue und verbesserte Wirbelschicht-Kesselvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung geschaffen werden, die eine relativ hohe Wärmeübertragung ohne Verschlackung der Äsche liefern.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine neue und verbesserte Wirbelschicht-Kesselvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung zu schaffen, so daß fein zermahlene, feste Brennstoffteilchen, die sonst zu klein sind, um in einem Verbrennungs-Wirbelbett verbrannt werden zu können, vollständig verbrannt werden können, so daß die dadurch erzeugte Wärme effektiv genutzt werden kann.

Weiterhin sollen eine neue und verbesserte Wirbelschicht-Kesselvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung geschaffen werden, die eine relativ große Zahl von Steuerpunkten enthalten, um bestimmte Betriebsparameter steuern zu können, insbesondere die Betriebskapazität der Dampferzeugung .

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Weiterhin sollen eine neue und verbesserte Wirbelschicht-Kesselvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung geschaffen werden, bei denen sich teilchenförmige Materialien im Umlauf in der Wärmetauscheranordnung bewegen, um die Wärmeübertragung zu erhöhen.

Und schließlich sollen eine neue und verbesserte Wirbelschicht-Kesselvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung vorgeschlagen v/erden, mit denen sich die Temperatur der Wirbelschicht steuern läßt.

Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine zugeordnete Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens erreicht, mit denen die Wirbelschicht-Verbrennung durchgeführt und die dadurch erzeugte Wärme auf einen Kessel übertragen werden kann; dabei wird zunächst eine Wirbelschicht aus teilchenförmigen Materialien hergestellt, der die Brennstoffteilchen zugeführt werden; ein Teil der Bestandteile der Wirbelschicht fließt durch einen Wärmetauscher nach oben, der dieser Strömung im wesentlichen keine Hindernisse bietet; der Teil der Bestandteile der Wirbelschicht, der durch den Wärmetauscher abfließt, wird dann wieder der Wirbelschicht zugeführt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform fließt dieser Teil der Wirbelschichtbestandteile in einen Einlaß an dem Boden des Wärmetauschers von einer ruhigen Zone in der Nähe der Verbrennungsschicht; ein Gas mit einer brennbaren Komponente wird dem Wärmetauscher zugeführt. Zweckmäßigerweise werden dem Wärmetauscher auch zusätzliche Brennstoff teilchen zugeführt, die durch ihn nach oben fließen. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Proportionen der Querschnittsfläche der in dem Wärmetauscher entstehenden Strömungsbahn so ausgelegt werden, daß sich an jeder Stelle des Wärmetauschers ein im wesentlichen gleichmäßiges Temperaturprofil über die strömenden Teilchen ergibt.

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Ein wesentlicher Grundgedanke der vorliegenden Erfindung beruht also auf der Verwendung eines Rezirkulationssystems mit hohem Feststoffanteil, so daß sich ein kompakter Kessel mit hohem Heiz- und Verbrennungswirkungsgrad ergibt. Dieses Rezirkulationssystem mit hohem Feststoffanteil wird für die Bestandteile der Wirbelschicht verwendet, während das teilchenförmige Material der Wirbelschicht einschließlich des unverbrannten Brennstoffes in einer nach oben gerichteten und dann bei Bedarf einer nach unten gerichteten Strömungsübertragungsbahn bewegt wird; diese Strömungsübertragungsbahn weist praktisch keine Hindernisse auf, welche die Transportströmung stören könnte.

Im folgenden sollen kurz das Verfahren und die zugeordnete Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung für die Durchführung der Wirbelschicht-Verbrennung und die Übertragung der sich ergebenden Wärme auf einen Wärmeübertragungsmechanismus beschrieben werden; dabei wird zunächst eine Wirbelschicht aus teilchenförmigen Materialien erzeugt, der Brennstoffteil chen zugeführt werden; ein Teil der Bestandteile der Wirbelschicht fließt dann in eine vertikal verlaufende Wärmetauscheranordnung und durch diese Anordnung nach oben; diese Wärmetauscheranordnung ist von der Verbrennungs-Wirbelschicht getrennt und weist praktisch kein Hindernis für die Strömung auf; der entnommene Teil der Wirbelschichtbestandteile wird dann der Wirbelschicht wieder zugeführt. Zweckmäßigerweise wird bei der übertragung des Transportes der Wirbelschichtbestandteile zu der Wärmetauscheranordnung die Dichte der Transportströmung der teilchenförmigen Materialien durch den Wärmetauscher gesteuert; außerdem sollte eine Einrichtung vorgesehen sein, um die Geschwindigkeit der Teilchenströmung in der Wärmetauscheranordnung einzustellen. Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die übertragungseinrichtung ein Düsenventil auf, das den Einlaß der Wärmetauscheran-

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Ordnung steuert und so ausgelegt ist, daß es ein Gas, welches wenigstens teilweise brennbar ist, der Wärmetauscheranordnung zuführen kann, und zwar insbesondere an ihrem Boden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Düsenventil außerdem der Wärmetauscheranordnung einen zusätzlichen, fluidisierbaren Brennstoff zuführen. Über dem Verbrennungs-Wirbelbett sollte eine zusätzliche Wärmetauscheranordnung angeordnet sein, wie beispielsweise ein Überhitzer für das erwärmte Wärmetauseherfluid und/oder ein Speisewassererhitzer, um das Wärmetauseherfluid für die Wärmetauseheranordnung zu erwärmen.

Der Teil der Wirbelschichtbestandteile, der in die Wärmetauscheranordnung und durch sie hindurch fließt, sollte von einer relativ ruhigen Zone in der Nähe der Verbrennungs-Wirbelschicht in die Wärmetauseheranordnung strömen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung koppelt eine Entnahmeleitung die Strömung zwischen der ruhigen Zone und der Wärmetauscheranordnung; der Einlaß zu der Wärmetauscheranordnung wird durch das Düsenventil gesteuert, das die Geschwindigkeit der Feststoffströmung durch den Einlaß zu der Wärmetauscheranordnung variieren und zusammen mit dem Gas zusätzlichen Brennstoff in die Wärmetauseheranordnung einführen kann. Als Alternative hierzu befindet sich der ruhige Bereich direkt in der Nähe des Wärmetauschereinlasses, der durch das Düsenventil gesteuert wird.

Durch das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung werden erwärmte, teilchenförmige Materialien von der Wirbelschicht sowie Brennstoffteilchen, die noch nicht reagiert haben, wie beispielsweise Kohle, unter Ausnutzung einer Druckdifferenz aus der Wirbelschicht entfernt; diese Druckdifferenz wird außerhalb der Wirbelschicht erzeugt,

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die in ihrem Inneren nach einer bevorzugten Ausführungsform keine für den Wärmetausch dienende Kühlfläche aufweist. Die Entnahme wird durch die Einführung von Luft in die Wärmetau scher anordnung erreicht, und zwar an ihrem Boden, um die Feststoffe zu tragen bzw. zu transportieren und eine gewisse Strömungsgeschwindigkeit für die Zirkulation aufzubauen; zweckmäßigerweise wird noch zusätzlich Luft für die Verbrennung der unverbrannten und/oder zusätzlichen Brennstoffteilchen zugeführt. Die entnommenen Materialien der Wirbelschicht werdenjin einer ersten, vertikalen Wärmetauscherkammer nach oben bewegt und dann zweckmäßigerweise in einer zweiten, für die Rückführung dienenden Wärmetauscherkammer nach unten bewegt, die durch eine Bogenkontaktkammer verbunden sind; schließlich werden diese Materialien von dem Auslaß der unteren Kammer in die Wirbelschicht abgegeben; diese untere Kammer befindet sich nach einex bevorzugten Ausführungsform direkt über der Wirbelschicht, wobei die Verbrennung der unverbrannten und/oder zusätzlichen Brennstoffteilchen in den Wärmetauscherkammern durchgeführt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein definierter, minimaler Abstand zwischen den Wänden der Wärmetauscherkammern aufrechterhalten, so daß bei der Wärmeübertragung und beim Ablauf der Verbrennung ein im wesentlichen gleichmäßiges Temperaturprofil an jedem Punkt in den Wärmetauscherkammern über die Querschnittsfläche aufrechterhalten wird. Wenn sich die Teilchen der Wirbelschicht in der ersten, oberen, vertikalen Kammer nach oben bewegen, befinden sich die Teilchen in einer dichteren Phase als bei der Bewegung in der zweiten, unteren Kammer nach unten. Es ergibt sich also ein relativ kompakter Kessel mit hohem, steuerbaren Wirkungsgrad, wenn durch Entnahme eines großen Teils der Wirbelschicht eine Zirkulationsgeschwindigkeit mit hohem Feststoffanteil aufrechterhalten wird, und die

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Teilchen von der Wirbelschicht durch eine hindernisfreie

Strömungsübertragungsbahn geführt werden, und zwar zunächst

in vertikaler Richtung nach oben und dann in einer hierzu parallelen Richtung nach unten.

Es besteht jedoch die Gefahr, daS die ausgegebenen Abgase feine Feststoffteilchen nach oben aus der Wirbelschicht heraustragen; da jedoch der Überhitzer und/oder zusätzliche Wärmetauscheranordnungen über der Wirbelschicht angeordnet sind, dienen sie nicht nur dazu, noch zusätzlich Wärme aufzufangen, sondern auch als Aufprallbarriere für die Teilchen, um die Teilchen zurück in die Wirbelschicht zu stoßen, wodurch außerdem eine sehr wirksame Mischung der gekühlten und erwärmten Teilchen aufrechterhalten wird. Ein kleiner Teil der feineren Teilchen, welche die Aufprallbarriere passieren, wird durch ein Teilchensammeisystem gesammelt, wie beispielsweise einen darüber angeordneten Zyklon (overhead cyclone); die so gesammelten, feinen Teilchen werden dann durch ein anderes Rezirkulationssystem direkt zu der Wirbelschicht zurückgebracht.

Die Ziele und Vorteile, wie sie hier beschrieben wurden, lassen sich durch die hier offenbarte und beanspruchte Erfindung erreichen. So werden gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine zugeordnete Vorrichtung für die Durchführung der Wirbelschicht-Verbrennung und die Übertragung der dadurch erzeugten Wärme auf einen Kessel vorgeschlagen, die eine sehr wirksame Ausnutzung der durch den Verbrennungskessel erzeugten Wärme ermöglicht.

Durch die Trennung der Wärmetauscheranordnung des Kesselabschnittes von der Verbrennungs-Wirbelschicht und durch die Verwendung einer Wärmetauscheranordnung, die im wesentlichen keine Hindernisse für das durchströmende, fluide

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Medium bietet, ermöglicht die Verbrennungs/Kessel-Vorrichtung eine Wärmeübertragung mit relativ hohem Wirkungsgrad.

Da die Dichte der Transportströmung durch die Wärmetauscheranordnung gesteuert werden kann, läßt sich die Betriebstemperatur des Verbrennungsabschnittes einstellen, um einen vorher bestimmten, niedrigen Wert für die Stickoxid-Erzeugung aufrechtzuhalten; außerdem läßt sich dadurch jede Schlackenbildung vermeiden.

Da die Teilchen, die im Umlauf in der Wärmetauscheranordnung geströmt sind, wieder zurück in die Wirbelschicht geführt werden, läßt sich die Temperatur in der Wirbelschicht aufgrund der guten Mischung der gekühlten, wieder eingeführten Teilchen mit den Teilchen steuern, die durch die Verbrennung des Brennstoffs erwärmt werden.

Da ein vertikal verlaufender Wärmetauscher verwendet wird, der die nach oben gerichtete Strömung eines Teils der Verbrennungs-Wirbelschicht ermöglicht, ermöglicht das teilchenförmige Material mit relativ geringer Dichte und einem hohen Prozentsatz an Hohlräumen bzw. Gasblasen bzw. Lücken, nämlich ungefähr 95 %, in dem Wärmetauscher, daß ein Teil der Wärme, die den rotglühenden Teilchen zugeordnet ist, durch Strahlung zu dem Wärmetauscher übertragen werden kann, wodurch sich die Wärmemenge erhöhen läßt, die auf den Kesselabschnitt übertragen wird.

Durch die Einführung von zusätzlichem Brennstoff und brennbarem Gas in die Wärmetauscheranordnung können sonst nicht zu nutzende Brennstoffteilchen effektiv gemäß der vorliegenden Erfindung verbrannt werden. Da weiterhin diese Verbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung im Innern der Wärmetauscheranordnung stattfindet, kann zusätzliche Wärme

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durch Strahlung von der Verbrennung des zusätzlichen Brennstoffs dorthin übertragen werden. Weiterhin trägt die Verbrennung des zusätzlichen Brennstoffs, der sich durch den Wärmetauscher bewegt, dazu bei, eine im wesentlichen gleichmäßige Temperatur über die gesamte Strömungsbahn des Wärmetauschers aufrechtzuerhalten, das heißt, vom Einlaß zum Auslaß.

Da der Einlaß des Wärmetauschers und die Gaseinlässe sowohl des Wärmetauschers als auch der Entnahmeleitung durch ein Düsenventil gesteuert werden, ergibt sich eine relativ große Zahl von Steuerpunkten, um eine ausreichende Kontrolle über die Betriebsparameter des Systems aufrecht zu erhalten. Da die Wände der Wärmetauscheranordnung durch einen Abstand getrennt sind, der zwischen ungefähr 0,1524 m (1/2 Fuß) und ungefähr 1,2192 m (4 Fuß) liegt, ergibt sich an jeder vertikalen Stelle in der Wärmetauscheranordnung über die Strömungsbahn ein im wesentlichen gleichmäßiges Temperaturprofil·.

Da die zusätzliche Wärmetauscheranordnung über der Verbrennungs-Wirbelschicht vorgesehen ist, wird nicht nur die Wärme, die den austretenden Rauchgasen zugeordnet ist, in der zusätzlichen Wärmetauscheranordnung auf das Wärmetauscherfluid übertragen, sondern auch die leichteren Brennstoffteilchen, die sonst mit den Rauchgasen austreten können, prallen auf die zusätzlichen Wärmetauseheranordnungen, so daß sie der Verbrennung nicht entgehen können.

Die Erfindung wird im folgenden zur Erläuterung in Verbindung mit bevorzugten, spezifischen Ausführungsformen beschrieben. An der hier erläuterten Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung und dem Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung können jedoch viele Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Insbesondere soll auf folgendes hingewie-

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sen werden: Bei der Definition des Rezirkulationssystem mit hohem Feststoffgehalt der hier beschriebenen Vorrichtung und des Verfahrens zum Betreiben einer solchen Vorrichtung soll der Begriff "Transportströmung" die Strömung bezeichnen, die über der Drosselgeschwindigkeit (choking velocity) wirksam ist; das heißt also, die minimale Gasgeschwindigkeit, die für die vertikale Strömung erforderlich ist, wie es auf diesem Gebiet bekannt ist; im einzelnen wird zu diesem Problemkreis auf die Veröffentlichung "Fluidization Engineering" Daizo, Kunii und Octave, Levenspiel, Seiten 385 bis 387, veröffentlicht von John Wiley & Sons, Inc., 1969 verwiesen; auf diese Veröffentlichung wird ausdrücklich Bezug genommen.

In den beiliegenden Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Doppelkessel-Wirbelschicht-Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Teilansicht des Kessels nach Figur 1, wobei das Rezirkulationssystem mit hohem Feststoffanteil und die Strömungsbahn der Feststoffe gezeigt sind;

Fig. 3 im vergrößerten Maßstab eine fragmentarische Querschnittsansicht längs der Linien 3-3 der Vorrichtung nach Figur 1;

Fig. 4 ein Teilaufriß, der im wesentlichen dem Aufriß nach Figur 2 ähnelt, wobei jedoch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung dargestellt ist;

Fig. 5 ein Teilaufriß, der im wesentlichen der Ansicht nach Figur 2 ähnelt, wobei jedoch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung dargestellt ist; und

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 von Figur 1.

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Im folgenden wird auf die Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind; dabei sind in den verschiedenen Ansichten jeweils gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen; in den Figuren 1 und 2 ist eine Ausführungsform eines Wirbelschicht- bzw. Wirbelbett-Doppelkessels (der allgemein bei 10 angedeutet ist) mit Kessel- oder Behälter-Wänden 12 mit einem Brennstoffeinlaß 14 dargestellt, der eine Einrichtung für die Einführung eines Brennstoffs enthält. Die Brennstoffeinlaßvorrichtung 14 kann irgendeinen herkömmlichen Zuführmechanismus für die Beschickung bzw. Einspritzung von Brennstoffen enthalten, wie beispielsweise einen fossilen Brennstoff, wie beispielsweise Heizöl, oder einen teilchenförmigen Brennstoff, wie beispielsweise Kohleteilchen, oder eine Kombination solcher Brennstoffe. Der Brennstoffeinlaß kann also beispielsweise einen Schraubenförderer für die Einführung von teilchenförmiger Kohle oder nach einer bevorzugten Ausführungsform einen Wurf-Wanderrost enthalten, der die Teilchen über die gesamte Wirbelschicht wirft und dabei verteilt.

Der Kessel 10 enthält auch einen Lufteinlaß 16 für die Einführung eines fluidisierenden, zur Ausbildung der Wirbelschicht dienenden Gases mit einem brennbaren Bestandteil unter Druck (beispielsweise ein Sauerstoff enthaltendes Gas, nach einer bevorzugten Ausführungsform Luft); der Einlaß 16 ist mitjder Brennkammer gekoppelt, um dieses Gas zuzuführen und die das Wirbelbett bildenden Bestandteile zu fluidisieren. Zu diesem Zweck enthält der Kessel 10 eine Säulenkammer 18, die durch eine Bodenplatte 17, Trennteile (nach einer bevorzugten Ausführungsform feste bzw. massive) 19, die sich von dort nach oben erstrecken, und eine perforierte Verteilerplatte 20 gebildet wird, die durch die Trennteile 19 gehaltert wird, so daß mehrere Luft-Verteilungs- bzw.

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Dispersionskammern (ohne Bezugszeichen) entstehen. Wie sich aus den Figuren erigbt, erstreckt sich die Verteilerplatte über einen größeren Teil des unteren Querschnittes des Kessels; wie im folgenden im einzelnen beschrieben werden soll, kann die Verteilerplatte an einem Ende geneigt oder schräg angeordnet sein.

Das fluidisierende Gas wird von dem Einlaß 16 in die Säulenkammer 18 (durch Einlaßleitungen 16a, die jeweils zu einer Luftdispersionskammer führen) für die Verteilung in der Wirbelschicht-Brennkammer (die allgemein bei 22 angedeutet ist) durch die Dispersionsplatte 20 zugeführt, um die Verbrennungsbettbestandteile zu fluidisieren. Gemäß der hier beschriebenen Ausführungsform kann die Wirbelschicht ein inertes , hitzebeständiges Material, wie beispielsweise Sand, und nach einer bevorzugten Ausführungsform ein Material enthalten, das unerwünschte Bestandteile des Brennstoffes (insbesondere SO₂) absorbiert oder mit ihnen reagiert; dabei kann es sich beispielsweise um Dolomit- oder Kalkstein-Teilchen handeln; als Alternative hierzu kann auch eine beliebige Kombination solcher Bestandteile mit festem, teilchenförmigen! oder anderem, brennbaren Brennstoff, wie beispielsweise Kohle, Teersand, Erdgas usw. verwendet werden, die eingeführt werden, um in der Wirbelschicht-Brennkammer 22 eine brennbare Wirbelschicht aus teilchenförmigen! Material zu bilden.

Bei der hier beschriebenen, bevorzugten Ausführungsform weist die Wirbelschicht-Brennkammer 22 keine Wärmetauscherrohre auf, obwohl solche Rohre bei Bedarf in die Wirbelschicht eingeführt werden können, um beispielsweise das Bett 22 zu kühlen. Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält die Wirbelschicht an einem Ende eine ruhigen, stillen Abschnitt 24, der nicht durch die Einführung des fluidisierenden Gases

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durch die Verteilerplatte 20 gestört wird, wie beispielsweise der Bereich der Schichtbestandteile, der sich direkt über der Verteilerplatte 20 befindet, wie schematisch in Figur 2 angedeutet ist. Darüber hinaus ist zwischen dem fluidisierten Bereich der Wirbelschicht und einer Auslöse- bzw. Trennkammer 28 eine Zwischen- bzw. Grenzfläche 26 definiert.

Zweckmäßigerweise befindet sich die Auslösekammer 28 direkt über der Wirbelschicht 22, wobei Wärmetauscherrohre oder Überhitzerrohre 30 so in der Kammer 28 angeordnet sind, daß ein Strahlungswärmetausch möglich ist. Die Überhitzerrohre 30 enthalten nicht nur Dampf, der durch die aufsteigenden Gase und Teilchen von dem Bett 26 erwärmt werden soll, sondern sie dienen auch als Aufprallsperre für die Bewegung der feinen, durch die Gase getragenen Teilchen nach oben. Zweckmäßigerweise enthält der Kessel 10 auch obere Wärmetauscherrohre 32 oder Speisewassererhitzer, die sich ebenfalls in der Kammer 28 über der brennbaren Wirbelschicht und den Überhitzern 30 befinden. Die Rohre 32 enthalten im allgemeinen Wasser, das durch Wärmetauschbeziehung mit den aufsteigenden Gasen von der Wirbelschicht 22 erwärmt werden soll, wie im folgenden im einzelnen beschrieben wird; außerdem bilden sie, wie die Überhitzer 30, eine zusätzliche Aufprallbarriere für die sich nach oben bewegenden, feinen Teilchen.

Eine Gas/Feststoff-Trenneinrichtung 34, wie beispielsweise ein Gas/Feststoff-Zyklon-Staubabscheider bzw. -Trenneinrichtung, befindet sich über den Rohren 30 und 32 in der Auslösekammer 28, um die sehr feinen, nach oben strömenden Feststoffteilchen aufzunehmen, welche die Aufprallbarrieren passieren. Zweckmäßigerweise leitet die Gas/Feststoff-Trenneinrichtung 34 die so aufgefangenen fein verteilten, getrennten Feststoffe durch eine Rückführleitung 36 für die Feststoffe zu einem

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Ausgang 38, so daß diese Feststoffe direkt zu der Wirbelschicht 22 zurückgebracht werden. Zweckmäßigerweise befindet der Auslaß für die Feststoff-Rückfuhrleitung 3 6 sich nahe bei dem Brennstoffeinlaß 14, um die Vorwärmung des Brennstoffes zu unterstützen, welcher der Wirbelschicht 22 zugeführt werden soll.

Der Kessel 10 enthält auch eine Dampf/Wasser-Trennungskessel-

42/ walze 40, eine Rauch- bzw. Abgas-Luftheizung, die das Abgas von der Trenneinrichtung 34 aufnimmt, um die durch den Einlaß 16 eingeführte Luft zu erwärmen, sowie einen damit gekoppelten Abgas-Auslaß 44, der zu Filtern und schließlich zu einem Schornstein führt (nicht dargestellt). Der Auslaß 44 enthält nach einer bevorzugten Ausführungsform einen Luftschieber 46, um die Flugasche durch einen Aschenauslaßbehälter (nicht dargestellt) zu entfernen, bevor die Abgase nach Außen abgegeben werden. Der Kessel enthält auch einen Einlaß 48 für dieEinführung des Wärmetauscherfluids, wie beispielsweise des Speisewassers , zu dem Kesselsystem. Der Einlaß 48 ist mit einem Einlaß-Sammler bzw. -Verteiler 50 für die Speisewasser-Heizeinrichtung 32, gekoppelt, deren Auslaßverteiler 52 zu der Trommel 40 führt. Der Einlaß 54 des Überhitzers ist mit der Trommel 40 gekoppelt und weist einen Auslaßverteiler 56 auf, welcher der Auslaß für den überhitzten Dampf von dem System ist und beispielsweise zu einer Dampfturbine führt. Darüber hinaus erstreckt sich eine Wärmetauscher-Fluidleitung 58 von der Kesseltrommel 40 zu einem, beispielsweise trommeiförmigen Schlammsammler 60, wie im folgenden im einzelnen beschrieben werden soll.

Gemäß der hier erläuterten Ausführungsform weist das Rezirkulationssystem für Gase mit hohem Feststoffanteil nach der vorliegenden Erfindung eine Entnahmeleitung 62 auf, die eine ümkehr-Bogen- bzw. U-Bogen-Zuführentnahmeleitung enthält,

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deren Einlaß in direkter Verbindung mit dem ruhigen Abschnitt 24 der Wirbelschicht steht, wie beispielsweise durch ein trichterförmiges Einlaßteil 61, so daß die teilchenförmigen Materialien von der Wirbelschicht direkt in die Entnahmeleitung abgezogen werden können. Die Entnahmeleitung 62 enthält auch ein trichterförmiges Auslaßteil 63 (das in Figur 6 dargestellt ist), um fluidisierte Teilchen in den Kesselabschnitt (der allgemein bei 70 angedeutet ist) einzuführen, wie im folgenden im einzelnen beschrieben werden soll. Zweckmäßigerweise hat die Entnahmeleitung 62 eine im allgemeinen reduzierte Querschnittsfläche relativ zu der Querschnittsfläche (die in einer senkrecht zu der Ebene der Figuren 1 und 2 liegenden Ebene definiert ist) der ruhigen Zone 24, damit eine ausreichende Steuerung über die Kreisströmung der fluidisierten Teilchen zwischen dem Verbrennungsabschnitt und dem Kesselabschnitt möglich ist.

Die Leitung 62 kann also eine im allgemeinen kreisförmige Querschnittsfläche haben, während der Einlaßteil 61 kegelförmig bzw. konisch zuläuft, und zwar sowohl wie es in Figur 2 angedeutet ist, als auch in der dazu senkrechten Richtung, um die Dichte der fluidisierten, teilchenförmigen Materialien, welche die ruhige Zone 24 verlassen, zu erhöhen. Der Auslaß 63 ist mit einer umgekehrten Konizität bzw. Verjüngung in der aufwärtigen Strömungsrichtung bzw. gegen die Strömungsrichtung versehen, um die Strömung über die perforierte Verteilerplatte 68 zu verteilen, die sich an dem Boden des Kesselabschnittes befindet. Gemäß der hier beschriebenen Ausführungsform verläuft jedoch die nach oben gerichtete, umgekehrte Konizität nur in der Richtung, die senkrecht zu der Ebene von Figur 2 ist, da der Kesselabschnittkanal ungefähr so breit sein kann, wie der Durchmesser der Leitung 62.

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Nach einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Kessel 10 auch einen Einlaß 64 für die Einführung eines Gases mit einem brennbaren Bestandteil, wie beispielsweise Luft, oder bei Bedarf eines Gemische von Luft und einem Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas oder einem anderen Brennstoff, wie im folgenden im einzelnen beschrieben werden soll. Darüber hinaus kann eine einstellbare Düse 66, die in der Entnahmeleitung 62 justiert werden kann, in der Leitung 62 betätigt werden, um die Zirkulationsgeschwindigkeit der Feststoffe in dem Wärmetauscherabschnitt durch eine vertikale Bewegung der Düse 66 in Kombination mit einer Änderung der Strömung des Gases durch den Einlaß 64 zu steuern. Zweckmäßigerweise kann zusätzlicher Brennstoff zusammen mit dem Gas durch den Einlaß 64 oder durch einen getrennten Brennstoff einlaß zugeführt werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Düse 66 und der Lufteinlass 64 als integrales bzw. einstückiges, einstellbares Düsenventil ausgebildet, das ein Kolbenventil oder ein Injektions-Kegelventil aufweist, wie es in der US-PS 2 630 352 beschrieben wird; das in dieser Patentschrift entwickelte Ventil ist von dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung mit entwickelt worden; auf den Inhalt dieser Patentschrift wird ausdrücklich Bezug genommen. Dementsprechend enthält das Ventil ein hohles, mittleres Rohr, welches die Einführung von Gas und zusätzlichem Brennstoff durch dieses Rohr ermöglicht, sowie einen Kopfbereich, der die Größe der Öffnung (63a) einstellt, die in die obere Kammer 72 führt. Als Alternative könnte statt des Düsenventils 66 auch ein Schieberventil eingesetzt werden.

Der Kesselabschnitt 70 weist eine vertikale, nach oben gerichtete Strömungskammer 72 bzw. eine Kammer 72 für die Strömung nach oben, eine gebogene bzw. gewölbte Dachkammer 74 und eine Kammer 76 für die nach unten verlaufende Strömung auf. Die

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Strömungskarnmern 72 und 76 sind aus üblichen Versteifungsbzw. Rippenwänden oder Ofenwandplatten für Kessel (die allgemein bei 87 angedeutet sind) hergestellt, die eine Reihe von Wärmetauscherrohren 88 aufweisen, die miteinander durch Rippen bzw. Verstärkungen 89 verbunden sind. Nach einer bevorzugten Ausfuhrungsform befinden sich mehrere Trennwände 86, die durch Rohre 88 gebildet werden, in bestimmten, räumlichen Abständen zwischen und senkrecht zu den Wänden 87 der Rohre 88, so daß eine Reihe von im allgemeinen parallelen Schlitzen oder Wärmetauscherdurchgängen 84 zwischen den Wänden einer jeden Kammer für die Transportströmung des teilchenförmigen Materials entsteht. Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht der aufgeteilten und mit Wänden versehenen Kammern. Zweckmäßigerweise wird auch das gebogene Dach der Kammer 74 aus miteinander verbundenen Wärmetauscher-Tafeln bzw. Platten 87 vom Verstärkungs- oder Rippentyp hergestellt und dient als Verbindung für das Wärmetauscherfluid zwischen den jeweiligen Verstärkungsplatten der Kammern 72 und 76. Wie jedoch in Figur 1 angedeutet ist, ist der Bereich jeder Trennwand 86, der sich in der gewölbten Kammer 74 befindet, mit Leitungen 86a ausgebildet, die zu einem Rohr 88 in ihrem Wandbereich führen, wodurch nur ein kleiner Abschnitt definiert wird, der keine Wärmetauscherrohre enthält.

Dementsprechend strömt das Wärmetauscherfluid von der Leitung 58 für das Wärmetauscherfluid durch einen der Schlammsammler 60 (der die Feststoffe von dem im Umlauf durch die Rohre 88 geführten Fluid trennen kann), dann durch die Rohre 88, welche die Wände 87 der Kammern 72, 74 und 76 bilden, zu einem der Sammler bzw. Verteiler 78, der das erwärmte fluide Medium zu der Kesseltrommel 4O trägt. Zu diesem Zweck erstreckt sich ein Schlammsammler 60 unter alle parallel verlaufenden Wärmetauscherrohre 88 in jeder Wand 87 in Fluidverbindung damit, um das Wärmetauscherfluid zuzuführen. Darüber hinaus stellen

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Kreuz- bzw. Querverbindungen 90 und 92 jeweils eine Fluidverbindung zwischen den Rohren 88 der inneren Wand 87 der oberen Kammer 72 und der inneren Wand der unteren Kammer sowie zwischen den inneren und äußeren Wänden der Kammer her, so daß das Wärmetauscherfluid in den Kammern 72 und nach oben und durch einen der Sammler bzw. Verteiler 78 in die Trenntrommel 40 fließt. Selbstverständlich können zwei Sammler bzw. Verteiler (header) 78 verwendet werden, damit in ihnen nicht zu viele Löcher (welche den Eintritt von jedem damit gekoppelten Rohr 88 ermöglichen) vorgesehen sein müssen, die jeweils den Sammler schwächen. Es kann jedoch auch ein großer Sammler 78 verwendet werden, um alle Rohre aufzunehmen, ohne daß die Gefahr der Bildung von konstruktiven Schwachstellen besteht.

Obwohl sich ein natürlicher Kreislauf des Wärmetauscherfluides durch die gerade oben beschriebenen Leitungen ergibt, können in der Fluidleitung 58 Pumpen 59 angeordnet werden, um die Strömung zu unterstützen, und zwar insbesondere während des Anlaufens des Kessels. Darüber hinaus führen zweckmäßigerweise Kreuz- bzw. Querteile 90 (die mit den Trennwänden 86 aufgerichtet und in gleicher Zahl vorgesehen sind) zweckmäßigerweise in den Sammler 94 an dem Boden aller Rohre 88 der inneren Wand 87 der Kammer 76 und sind mit allen diesen Rohren 88 gekoppelt, während Überkreuzungs- bzw. Übergangsteile 92 (die ebenfalls mit den Trennwänden 86 ausgerichtet und in gleicher Zahl wie diese vorgesehen sind) von dem Sammler 94 zu dem Sammler 96 an dem Boden aller Rohre 88 der äußeren Wand 87 der Kammer 76 führen und mit allen Rohren gekoppelt sind.

Die Strömungskammer 76 weist einen Ausgang für die Feststoffe auf (der allgemein bei 80 angedeutet ist), der sich in die Auslösekammer 28 öffnet, und zwar nach einer bevorzugten Aus-

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führungsform direkt über dem Wirbelbett 22, wodurch die Teilchen, die sich in der Entnahmeleitung und den geschlitzten Kammern 72, 74 und 76 im Umlauf bewegen, nach unten in das Wirbelbett 22 ausgegeben und zurückgeführt werden können. Obwohl sich der Auslaß 80 gemäß der Darstellung in den Figuren 1 und 2 über der ruhigen Zone 24 befindet, neigen die Teilchen in der Auslaßströmung dazu, aufgrund der Mischung der Auslaßströmung mit den Gasen, die von dem Bett 22 und der ruhigen Zone 24 aufsteigen, in das Bett 22 zu fallen. Nach einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich jedoch der Auslaß im allgemeinen über dem Bett 22, wie in Figur 4 angedeutet ist.

Wenn sich die verschiedenen Gase (das heißt, die in dem Kesselabschnitt 70 strömenden Abgase und die in den Kesselabschnitt 70 eingeführten Gase) sowie die teilchenförmigen Materialien durch die Kammern 72, 74 und 76 bewegen, strömen die teilchenförmigen Materialien in der Nähe der Oberfläche der Trennwände 86 im allgemeinen auf einer kreisförmigen Bahn aufgrund der kombinierten Wirkung des Strömungswiderstandes (das heißt, der Reibung) an der Wand und dem nach unten gerichteten Einfluß der Schwerkraft sowie der nach oben gerichteten "Druckkraft" der Gase. So kann sich beispielsweise das teilchenförmige Material mit einer mittleren Geschwindigkeit von ungefähr 2,1 m/sek (7 ft/sec) bewegen, während die Oberflächengeschwindigkeit des Gases das Doppelte dieses Wertes oder mehr betragen kann, wodurch sich eine sehr wirksame Wärmeübertragung von den fluidisierten Verbrennungsbestandteilen zu den Wärmetauscherrohren 88 ergibt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Entnahmeleitung 6 2 auch einen fluidisierenden oder einen Ventilationsbzw. Belüftungs-Lufteinlaß 82, welcher die Fluidisation (das heißt, die Steuerung der Dichte) des festen, teilchenförmigen Materials von der Wirbelschicht 22 unterstützt, indem er

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einen Einlaß für die Luftströmung in die Entnahmeleitung bildet. Dieser Einlaß 82 dient auch als zusätzliche Steuerstelle, um die Steuerung der Dichte des fluidisierten, teilchenförmigen Materials zu ermöglichen, das in die Strömungskammer 72 fließt.

Um die Strömung der fluidisierten Bestandteile der Wirbelschicht zu der ruhigen Zone 24 und damit in den Kessel 70 zu erleichtern, kann die Verteilerplatte 20 zweckmäßigerweise etwas nach unten zu der ruhigen Zone 24 hin geneigt sein; dies ist insbesondere für relativ flache Wirbelschichten zweckmäßig (kleiner als ungefähr 15,24 cm (6 Zoll)). Als Alternative hierzu kann die Verteilerplatte 20 eben bzw. gerade, jedoch mit einer oder mehreren Nuten ausgebildet sein, die sich nach unten zu der ruhigen Zone 24 hin neigen. Für die meisten mäßig tiefen Wirbelschichten (das heißt, ungefähr 15,24 cm (6 Zoll) oder mehr) findet jedoch die obere Oberfläche der Wirbelschicht ihren eigenen Gradienten oder Neigungs- bzw. Lagewinkel zu der ruhigen Zone 24, wenn die Verteilerplatte 20 nicht geneigt ist.

Figur 3 zeigt im Detail eine Draufsicht auf ein Rezirkulationssystem für Gase mit hohem Anteil an Feststoffen, wobei die obere (72) und die untere (76) Stromungsubertragungskammer mehrere Wärmetauscherdurchgänge 84 aufweisen, die jeweils ungefähr 60 cm (2 Fuß) dick (das heißt, der Abstand zwischen gegenüberliegenden Wänden 87) und ungefähr 1,8m (6 Fuß) breit (das heißt, der Abstand zwischen den Trennwänden 86) sind, um einen Wärmeaustausch zwischen den Verbrennungsabgasen und den teilchenförmigen Materialien zu ermöglichen, die sich in der Kammer 72 nach oben, in der Kammer 74 zur Seite und in der Kammer 76 nach unten bewegen. Die nach oben gerichtete, obere und nach unten gerichtete Strömungsübertragungsbahn und die Kammern werden als mehrere parallele, ausgerichtete Strömungsdurchgänge gezeigt und erläutert. Selbstverständ-

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lieh können jedoch Kammern mit verschiedenen Abmessungen, Formen und Größen verwendet werden, so lange sich in den Strömungsübertragungsbahnen in den Kammern keine Strömungshindernisse befinden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sollte die Querschnittsfläche der Kammern 84 nicht so groß sein, daß ein zu hoher Wärmegradient über den Querschnitt eines Wärmetauscherdurchgangs (das heißt, zwischen der Mitte des Durchgangs und der benachbarten Wand) an irgendeinem Punkt in den Kammern 72, 74 oder 76 möglich wird. Deshalb sollte die Querschnittsfläche so begrenzt werden, daß ein im wesentlichen gleichmäßiges, hohes Temperaturprofil über den Querschnitt (das heißt, die Dicke) an jedem gegebenen Punkt in jeder Kammer während der Umlaufströmung des Gases mit hohem Feststoff gehalt aufrechterhalten werden kann. Eine zu große Querschnittsfläche verhindert die Aufrechterhaltung eines im wesentlichen gleichmäßigen Temperaturprofils, weil der Kontakt der fluidisierten Teilchen in dem mittleren Abschnitt der Stromungsubertragungsbahn nicht ausreicht, um eine effektive Wärmeübertragung zu bewirken.

Im folgenden sollen einige Dimensionen für eine bevorzugte Ausführungsform angegeben werden: Die Dicke eines jeden Wärmetauscherdurchgangs 84 sollte wenigstens ungefähr 15.24 cm (1/2') jedoch nicht mehr als ungefähr 1,22 m (4¹) über alle Querschnitte der drei Kammern 72, 74 und 76 betragen. Darüber hinaus beträgt die Breite jedes Durchgangs 84 nicht mehr als ungefähr 1,829 m (6¹). Die Dimension der Breite des Durchgangs von 1,8m ist normalerweise begrenzt, um die gleichmäßige Verteilung des strömenden Mediums von dem Auslaß der Leitung 62 zu der Platte 68 (über den trichterförmigen Auslaß 63) zu ermöglichen, welche wiederum die strömenden Teilchen und die Gase gleichmäßig über die gesamten Wärmetauscherdurchgänge 84 verteilt, um die Wärme-

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übertragungjzu optimieren.

Die Begrenzung der Dicke eines jeden Durchgangs 84 ist besonders zweckmäßig, da bei einer Dicke von weniger als ungefähr 15,24cm (1/2¹) die teilchenförmigen Materialien in der Nähe der Wärmetauscherwände 86 sich nicht im Umlauf bewegen können, da die Gefahr besteht, daß die durch die offenen Kanäle strömenden Gase alle Teilchen durch den Boilerabschnitt drücken und die kombinierte Wirkung der Schwerkraft und der Reibungskräfte an den Wänden überwinden. In ähnlicher Weise können bei einer Breite von mehr als ungefähr 1,22 m (4¹) die teilchenförmigen Materialien in der Nähe der Wärmetauscherwände dem Druck des durch die Strömungskaitimern 72, 74 und 76 fließenden Gases entkommen, wodurch der Wirkungsgrad der gesamten Wärmeübertragung verringert wird. Für die Praxis ist außerdem noch folgender Gesichtspunkt wesentlich: Bei kleineren Breiten kann das Wartungspersonal nicht in die Schlitze 84 gelangen, um ein zerbrochenes Rohr 88 zu reparieren, so daß ganze Abschnitte weggeschnitten werden müssen. Die Aufrechterhaltung des gleichmäßigen Temperaturprofils ist besonders wesentlich, da die Transportströmung in der Nähe der Wärmetauscheroberflächen sich auf einer Temperatur befindet, die nur etwas niedriger als die Temperatur in der Mitte der Wärmetauscherdurchgänge ist; damit wird eine stärkere Wärmeübertragung an den Oberflächen und damit ein größerer Wirkungsgrad möglich.

Bei diesem Verfahren wird großer Wert auf den effektiven Wärmetausch während der Transportströmung der teilchenförmigen Wirbelschicht-Materialien gelegt, die aus der Entnahmeleitung 62 abgezogen und für die Strömungsübertragung durch die nach oben gerichtete, obere bzw. nach unten gerichtete Kammer 72, 74 bzw. 76 eingeführt werden. In der Brennkammer 22 mit der Wirbelschicht tritt keine Transportströmungsbewegung der darin befindlichen Teilchen auf, die aus der fluidisierenden

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Luft oder dem brennbaren Gas, unverbrannten oder brennenden Feststoffteilchen sowie bei Bedarf aus inerten, hitzebeständigen Teilchen und den oben erwähnten, zur Absorption dienenden Teilchen bestehen. Bei diesem Rezirkulations-Strömungssystem für Gase mit hohem Feststoffgehalt ergibt sich eine kontinuierliche Strömungsübertragung in den Kammern 72, 74 und 76. Es ist eine bevorzugte Ausfuhrungsform des Kessels dargestellt worden, wobei eine gewölbte Kammer und eine nach unten gerichtete Kammer gezeigt wurden; solche Kammern sind jedoch nicht wesentlich, obwohl es sich um eine bevorzugte Ausführungsform dieses Kessels handelt.

Zweckmäßigerweise tritt die Verbrennung in dem Kesselbaschnitt 70 aufgrund der Verbrennung von unverbrannten Brennstoffen auf, die aufgrund des zusätzlichen Gases, das durch den Lufteinlaß 64 und/oder den Lufteinlaß 82 zugeführt wird, in dem Teil der Bestandteile der Wirbelschicht enthalten sein kann, der durch diesen Bereich und den zusätzlichen, zugeführten Brennstoff im Umlauf strömt. Der feste Brennstoff, der dem Abschnitt 70 hinzugefügt wird, ist normalerweise in der Form von relativ kleinen Teilchen, um die rasche Verbrennung in dem Zirkulationssystem für die Feststoffe zu ermöglichen. Der Zusatz dieses festen Brennstoffes mit kleiner Teilchengröße ist ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung,da feine Materialien, die durch Schleifen bzw. Mahlen bzw. Feinzerkleinerung des festen Brennstoffs hergestellt worden sind, mit hohem Wirkungsgrad in dem Boilersystem verbrannt werden und die dadurch erzeugte Wärme wirksam auf den Wärmetauscher übertragen werden kann, weil sich im Vergleich mit größeren Teilchen eine größere Oberfläche pro Masseneinheit ergibt. Solche feinen Teilchen werden normalerweise nicht in den vorhandenen Wirbelschicht-Kesseln eingesetzt, weil die Gefahr besteht, daß sie aus der Wirbelschicht herausgeblasen werden, bevor eine vollständige Verbrennung erfolgt ist. Darüber hinaus

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ergeben die brennenden Teilchen, die sich durch den Kessel 70 bewegen, im allgemeinen eine gleichmäßigere Temperatur über den gesamten Kessel - das heißt, von dem Einlaß bei zu dem Auslaß 80 - während sie Wärme zu den Wärmetauscherwänden strahlen, um zusätzliche Wärme zu übertragen.

Bei der beschriebenen Ausführungsform sind gemäß der Darstellung in den Figuren die Wärmetauscherrohre oder die Einrichtung nicht in der Brennkammer 22 mit der Wirbelschicht angeordnet, da dies bei der bevorzugten Ausführungsform das raschere Zünden bzw. Anfeuern des Kessels ermöglicht. Dieser Kessel kann ohne Zirkulation aufgeheizt werden, wobei sich die Feststoffe rasch ohne Wärmeverlust durch die in das Wirbelbett eingeführten Kühlrohre erhitzen.

Neben der Möglichkeit des raschen Anlassens oder Aufwärmens des Kessels bietet dieser noch zahlreiche, weitere Vorteile. Bei diesem Kessel kann beispielsweise die Zirkulationsgeschwindigkeit der Feststoffe für die Wirbelschicht bei der Strömungsübertragung über das gesamte Rezirkulatxonssystem gesteuert werden, indem einfach das einstellbare Düsenventil 66 variiert wird, das dadurch die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung auf die Trennwände und die Rohre 88 in dem Kessel 70 steuert, wodurch sich wiederum die Kesselkapazität rasch herunterschalten oder erhöhen läßt. Diese Steuerung der Wärmeübertragungsgeschwindigkexten kann bei stationären Wirbelschicht-Wärmetauscherkesseln nicht einfach erreicht werden, da eine Einstellung vorgenommen werden muß, indem die Strömung der Luft zu bestimmten Abschnitten des Wirbelbettes unterbrochen wird; dadurch wird jedoch wiederum ein Absinken bzw. ein Abfall bzw. ein Zusammenfallen der Wirbelschicht verursacht.

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Darüber hinaus ist die Höhe der herkömmlichen Brennkessel mit Wirbelschichten normalerweise aufgrund von Druckabfallbetrachtungen begrenzt, wodurch wiederum die Größe der Kühloberfläche beschränkt wird, die in die Wirbelschicht eingetaucht werden kann. Bei dem Kessel nach der vorliegenden Erfindung gibt es jedoch diese Einschränkung nicht, da die Größe der Kühloberfläche, die dem Wärmeübertragungsmedium ausgesetzt ist, sich durch Änderung der Zirkulationsgeschwindigkeit und der Konzentration der Feststoffe in dem Zirkulationssystem ohne eine Erhöhung des Druckabfalls über dem System variieren läßt. Der Druckabfall über das gesamte Zirkulationssystem 70 mit hohem Feststoffanteil ist nicht größer als der Druckabfall über der Wirbelschicht 22, und der statische Kopf bzw. die statische Druckhöhe der fluidisierten Teilchen in dem ruhigen Abschnitt 24 ist größer als der Druckabfall in dem Zirkulationssystem für die Feststoffe, so daß sich der Druckgradient ergibt, der für die gewünschte Zirkulationsgeschwindigkeit erforderlich ist.

In diesem Kessel kann ein viel größerer Bereich an Größen der teilchenförmigen Materialien im Vergleich mit den herkömmlichen Kesseln verwendet werden, wobei wegen der größeren Oberfläche und der dadurch erreichten effektiveren und höheren Wärmeübertragungsgeschwindigkeiten der Bereich von kleineren Teilchen besonders bevorzugt wird; werden Dolomit , Kalkstein und andere absorbierende oder reagierende Materialien eingesetzt, so ist eine kleinere Teilchengröße zweckmäßig, um die erforderliche! Reaktionsgeschwindigkeiten mit den Verunreinigungen des Brennstoffs zu erreichen. Typische Teilchengrößen können im Bereich von 450 Mikron bis herab zu ungefähr 40 Mikron liegen; während in einer typischen Wirbelschicht der Bereich von ungefähr 250 bis ungefähr 450 Mikron reicht, können in dem Kessel nach der vorliegenden Erfindung Teilchen mit einer mittleren Größe von ungefähr 40 bis ungefähr 150

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Mikron eingesetzt werden, wodurch sich hohe Wärmeübertragungsgeschwindigkeiten ergeben. Selbstverständlich werden "erschöpfte" das heißt, vollständig ausreagierte, aktive Teilchen mit den Ascheteilchen abgezogen und frische, aktive Teilchen zusammen mit frischem Brennstoff neu zugeführt.

Der erfindungsgemäße Kessel ermöglicht auch einen sehr hohen Wirkungsgrad für die Wärmeübertragung, indem Wärmetauscher verwendet werden, die praktisch keine Strömungshindernisse aufweisen und als weiteren, wesentlichen Vorteil ein im wesentlichen gleichmäßiges Temperaturprofil ermöglichen, während das Gas während der Transportströmung durch das Rezirkulationssystem verbrannt wird. Wenn beispielsweise die geschlitzte Kammer eine Abmessung von 1,83 m χ 0,61 m (6x2 Fuß) hat, so beträgt das Temperaturprofil oder die Differenz zwischen der Mitte des Durchgangs und den Teilchen, die sich nahe an der Wandoberfläche befinden, ungefähr 5,56 C (ungefähr 10 F) oder weniger, wenn die Wandoberfläche eine Temperatur von ungefähr 26O°C (500°F) hat und die Betriebstemperatur ungefähr 815°C (1500°F) bis 926°C (1700°F) beträgt. Dies ist auf die große Menge an Feststoffen zurückzuführen, die sich längs der Wand durch den Reibungswiderstand und die Schwerkräfte im Umlauf bewegen, die der Strömung der tragenden Gase nach oben entgegenwirken.

Im folgenden soll die Funktionsweise dieses Brenners beschrieben werden. Ein solcher Brenner wird üblicherweise unter Verwendung eines äußeren bzw. Fremdbrennstoffs, wie beispielsweise Erdgas oder eines leichten Brennstoffs bzw. leichten Heizöls, gezündet, der in die Wirbelschicht injiziert bzw. eingespritzt wird, um die inerten, teilchenförmigen Feststoffe in der Wirbelschicht 22 rasch aufzuwärmen, während Luft in den Lufteinlaß 16 durch die Plenumkammer bzw. den Ansaugluftsammler

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18 und die Verteilerplatte 20 eingeführt wird, so daß eine erwärmte Wirbelschicht-Brennkammer 22 entsteht. Die entsprechenden Abmessungen des Wirbelbettes für jeden Wärmetauscherdurchgang 84 von 1,83 m χ 0,61 m (6x2 Fuß) in dem Kesselabschnitt kann eine Größe mit einer Dicke von ungefähr 1,83 m (6 Fuß) (die der Breite des Durchgangs 84 entspricht) bei einer Breite von 4,3 m (14 Fuß) (dem Abstand von dem Einlaß 14 zu der ruhigen Zone 24) und eine Tiefe von ungefähr 0,61 m (2 Fuß) haben. Die Größe und Tiefe der Wirbelschicht hängt jedoch selbstverständlich von dem Kessel ab und kann entsprechend variiert werden. Die Wirbelschicht-Teilchen können eine

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Dichte von näherungsweise 0,56 g/cm bis 1,2 g/cm (35 bis 75 pounds per cubic foot) oder im allgemeinen ungefähr

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0,8 g/cm (50 pounds per cubic foot) haben, wobei der Druck-

2 abfall in dem Kessel ungefähr 0,07031 kg/cm (1 pound per square inch) beträgt und die dem Lufteinlaß 16 zugeführte Luft (die durch den Lufterhitzer 42 auf ungefähr 398,89°C (750 F) vorgewärmt wurde) einen Druck von ungefähr 0,07031 kg/cm (1 pound per square inch) über dem Atmosphärendruck hat.

Sobald der Kessel seinen Betrieb begonnen hat, wird Luft (die ebenfalls durch den Lufterhitzer 42 vorgewärmt wurde)

2 durch den Lufteinlaß 82 bei ungefähr 0,105 kg/cm (1 1/2 pound per square inch) über dem Atmosphärendruck zugeführt, um das teilchenförmige Material von der ruhigen Zone 24 zu fluidisieren und einen Teilchenstrom von dem ruhigen Bereich 24 durch die U-förmig gebogene Entnahmeleitung 62 aufgrund der Druckdifferenz zu erzeugen. Zusätzliche Luft (die ebenfalls durch die Heizeinrichtung 42 vorgewärmt wurde) wird auch durch den Lufteinlaß 64 durch das einstellbare Düsenventil 66 zugeführt, wobei das Düsenventil so eingestellt ist, daß es die Strömungsübertragung des in die Entnahmeleitung 62 eingeführten teilchenförmigen Materials ermöglicht.

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Wie oben beschrieben wurde, tritt die Verbrennung während der nach oben gerichteten Bewegung der Transportströmung auf, wobei die Wärme auf alle Wärmetauscherrohre 88 übertragen wird. Das teilchenförmige Material bewegt sich nach oben zu der oberen Kammer 74, seitlich durch sie durch und dann nach unten durch die Kammer 76, wo es durch die Schwerkraft-Beschleunigungskräfte eine Phase mit geringerer Dichte durchläuft; dann wird es von dem Auslaß 80 in die Auslösekammer 28 ausgegeben. Der größere Teil der Teilchen wird für die Rezirkulation zu der Wirbelschicht zurückgebracht, wobei der Druck in der Auslösekammer (disengaging chamber) im all-

2 gemeinen ungefähr 0,0176 bis 0,035 kg/cm (1/4 bis 1/2 pound per square inch) über dem Atmosphärendruck beträgt. Die zu der Wirbelschicht 22 zurückgebrachten Teilchen werden dann im Umlauf zurück zu dem Rezirkulationssystem für Gase mit hohem Feststoffgehalt zurückgebracht. Die rasche Zirkulation und damit Steuerung der Wärmetauschergeschwindigkeit und der Wärmeübertragung wird durch die Positionierung des einstellbaren Düsenventils und der Menge der zugeführten Luftströmung möglich, um die Transportströmung zu steuern, das heißt, den in dem Zirkulationssystem erzeugten Druckabfall.

Der größere Teil des teilchenförmigen Materials, das in die Auslösekammer 28 ausgegeben wird, fällt in die Wirbelschicht 22, während sich die fein verteilten Teilchen nach oben bewegen und auf den Überhitzer 30 oder den Speisewassererhitzer 32 als Aufprallbarrieren treffen und deshalb auf die Wirbelschicht zurückfallen. Die noch viel feiner verteilten Teilchen bewegen sich durch den Speisewassererhitzer 32 nach oben, wo sie durch den Gas/Feststoff-Zyklon 34 gesammelt und durch die Feststoffrückführleitung 36 durch den Ausgabeeinlaß 38 zu der Wirbelschicht zurückgebracht werden, wo sie den Brennstoff vorwärmen, der durch den Einlaß 14 der Wirbelschicht 22 zugeführt werden soll. Die Rauchgase passieren den

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Lufterhitzer 42 und den Rauchgasauslaß 44; anschließend werden sie durch die Filter und im Schornstein nach außen abgegeben.

Das wärmetauscherfluid, zu Beginn Wasser (wie beispielsweise der kondensierte Dampf von einem Dampfturbinengenerator oder eine andere, dampfbetätigte Vorrichtung, die mit dem Fluidauslaß 56 des Kessels verbunden ist), das durch den Einlaß 48 eingeführt worden ist, fließt durch den Vorerhitzer 32 über den Einlaß 50 und dann in die Trommel 40. Das erwärmte Wasser von der Trommel 40 fließt durch den Einlaß 58 zu den Schlammsammlern 60, nach oben durch die zahlreichen Wärmetauscherrohre 88 und zurück in die Trommel 40 und zwar im allgemeinen als ein Gemisch von Wasser und Dampf. Der Dampf von der Trommel 40 fließt durch den Einlaß 54 zu dem überhitzer 30 und von dort über den Auslaß 56 zu einer Dampfturbine oder einer anderen, dampfbetätigten Vorrichtung.

Das Strömungsübertragungs-Zirkulationssystem mit hohem Anteil an Feststoffen ist schematisch in Figur 2 dargestellt, wobei die verschiedenen Abschnitte des Kessels mit alphabetischen Zeichen gekennzeichnet sind. Als typisches Beispiel für einen solchen verbesserten Kessel können die folgenden Zahlenwerte angegeben werden: Die Kesseltrommel 40 hat einen Dampf-

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druck von 0,70 kg/mm (1000 psi); der Kessel ist auf eine Geschwindigkeit von ungefähr 22680 kg (50000 und Dampf (bei ungefähr 537,78°C (1000°F)) pro Stunde für eine Wärmetaus cherkammer 84 von 0,61 m χ 1,83 m (2¹ χ 6') mit einer vertikalen, nach oben gerichteten Strömungslänge von ungefähr 9,144 m (30 Fuß) (zwischen der Verteilerplatte 68 und dem Bogenabschnitt 74) und mit einer vertikalen, nach unten gerichteten Strömungslänge von ungefähr 5,49 m (18 Fuß) (zwischen dem Bogenabschnitt 74 und dem Auslaß 80) ausgelegt. Die Zirkulation der gesamten Wirbelschicht erfolgt mit einer Geschwindigkeit von 9.07 kg (20 pounds? Feststoffe, die pro Pound erzeugtem Dampf im Umlauf geführt werden, wobei

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die gesamte Aufenthaltszeit der Peststoffe in dem System im
Bereich von ungefähr 5 bis 60 Sekunden liegt. Die Wärmeübertragung, die Dichte der Feststoffkonzentratxon und die Oberflächengeschwindigkeit des Gases für diesen Kessel können im einzelnen der folgenden Tabelle entnommen werden.

Tabelle I

Kessel mit Wirbelschicht
Mittlerer Teilchendurchmesser 150 Mikron

Fläche (Fig. 2)	Wärmeüber tragungsge schwindigkeit Kcal/hr/m²/°C	Feststoff konzentration- Dichte kg/m3	Oberflachen geschwindig keit (V) des Gases m/sek.
A		800,92
B		25,63
C	244	54,46	4,57
D	331,84	75,29
E	175,68	17,62
F		4,81	2,44
G		1,12
H		0,024

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Tabelle I

Kessel mir Wirbelschicht Mittlerer Teilchendurchmesser 150 Mikron

Fläche (Fig. 2)	Warmeuber- tragungsge- schwindigkeit Btu/hr/Ft /⁰F	Feststoff konzentration- Dichte- Lbs/Ft	Oberflächenge schwindigkeit (V) des Gases Feet/sec
A		50
B		1,6
C	50	3,4	15
D	68	4,7
E	36	1,1
F		0,3	8
G		0,07
H		0,0015

Beim typischen Betrieb eines Kessels mit dem oben beschriebenen Aufbau werden ungefähr 454 kg (1000 Pounds) Dampf pro

6,45 cm (square inch) erzeugt; die Temperatur des Kesselspeisewassers, das an dem Einlaß 48 eintritt,beträgt ungefähr 168 C (334 F); dieses Wasser wird in dem Wärmetauscher 32 auf 25l,67°c (485°F) vorgewärmt, bevor es in die Trommel 40 eindringt. Die Temperatur des Wassers, das in den Kessel 70 und in das Wärmetauschersystem eintritt, beträgt ungefähr 285 C (545 F). Der Dampf von der Kesseltrommel 40 wird in dem Erhitzer 30 auf ungefähr 537,78°C (1000°F) überhitzt. Bei Verwendung von Illinois Kohleteilchen mit hohem Schwefelgehalt würde die Temperatur der Wirbelschicht 22 843,33°C (1550⁰F) betragen, während die Auslaßtemperatur bei 80 ungefähr 782°C (1440⁰F) beträgt; die Einlaßtemperatur an der Platte 18 ist 837°C (154O°F), während die Gesamtdifferenz des Temperaturprofils über den gesamten Kessel bei ungefähr

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37,78°C (1OO°F) liegt. Das in die Trenneinrichtung 34 eintretende Rauchgas hat eine Temperatur von 511 C (952 F), während die vorgewärmte Luft an den Einlassen 16 und 64 eine Temperatur von 398,89°C (75O°F) hat. Die beschriebenen Bedingungen ermöglichen den Betrieb des Kessels bei einem hohen thermischen Wirkungsgrad von über 90 %.

Eine Untersuchung der Geschwindigkeit der zirkulierenden Gas/Feststoff-Massen unter Berücksichtigung der Wärmeübertragungsgeschwindigkeit ergibt, daß sich die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit der sich nach oben bewegenden Teilchen erhöht, während die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit der nach unten fließenden Teilchen in einem Rezirkulationssystem aufgrund der Dichtedifferenzen verringert wird, die jeweils durch die nach unten und nach oben gerichteten Beschleunigungskräfte verursacht werden. Die Bogen- oder Dachkammer, welche die oberen Enden der ersten nach oben beweglichen und der zweiten, nach unten beweglichen Kammern verbinden, beeinflußt ebenfalls die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit, und zwar offensichtlich aufgrund von Tangentialkräften und der darin vorhandenen Konzentration an Feststoffen; es stellt sich jedoch heraus, daß sich über das ganze Rezirkulationssystem mit hohem Anteil an Feststoffen eine relativ konstante Wärmeübertragungsgeschwindigkeit ergibt.

In Figur 4 ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei der Auslaß 80 der unteren Kammer 76 so ausgelegt ist, daß er die austretende Transportströmung direkt in die Wirbelschicht 22 abgeben kann. Zu diesem Zweck ist ein gebogener, verlängerter Bereich ( der bei 98 angedeutet ist) an dem Ende der inneren Wand 87 der unteren Kammer 76 ausgebildet, wobei der Auslaß 80 dadurch eine Auslaßebene definiert, die vertikal ist.

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Dementsprechend werden die teilchenförmigen Materialien, die aus der Kammer 76 austreten, horizontal ausgegeben werden, wie in Figur 4 angedeutet ist. Die schwereren Teilchen fallen deshalb direkt in das Bett 22, während etwa vorhandene, leichtere Teilchen, die durch die nach oben steigenden Gase von der Wirbelschicht 22 nach oben getragen werden könnten, durch die Aufprallsperren nach unten geschlagen bzw. zurückgestoßen werden, die durch den Überhitzer 30 und die Heizeinrichtung 32 für das Speisewasser gebildet werden.

Zweckmäßigerweise enthalten nach einem weiteren Aspekt der Erfindung die Überhitzerrohre 30 einen Abschnitt mit enger Teilung bzw. geringem Abstand bzw. Zwischenraum (der bei 30a angedeutet ist), der sich direkt über der Wirbelschicht 22 befindet, wobei sich die mit geringen Abständen zueinander angeordneten Wärmetauscherrohre in einer Richtung erstrecken, die parallel zu der Verteilerplatte 20 ist. Die nahe beieinander liegenden Rohre dienen also als weitere, einflußreiche Aufprallbarriere für die nach oben gerichtete Strömung der teilchenförmigen Materialien. Darüber hinaus werden nach einer bevorzugten Ausführungsform die mit geringem Abstand angeordneten Wärmetauscherrohre 30a (die durch den Sammler 56a gespeist werden, den wiederum die Rohre 30 speisen, und die zu einem Auslaßsammler 56 führen) in der Nähe des Auslasses 80 angeordnet. Auf diese Weise nimmt die horizontal gerichtete Strömung von dem Auslaß 80 alle Teilchen mit, die sich auf der Aufprallbarriere aufgebaut haben, so daß sich eine Reinigungswirkung ergibt.

In Figur 4 ist auch eine Alternative einer Einrichtung dargestellt, die das Wärmetauscherfluid zu den Wänden 87 der oberen Kammer 76 führt. Gemäß dieser Ausführungsform koppelt eine Leitung 91 direkt einen Schlammsammler 60 mit dem Sammler 94, wodurch auf die Querglieder verzichtet werden

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kann, die an die Wärmetauscherrohre 88 der oberen Leitung angeschlossen sind bzw. diese anzapfen, wie oben beschrieben wurde.

In Figur 5 ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung dargestellt, durch den die Brenner/Kessel-Einrichtung so angepaßt werden kann, daß sie unter erhöhtem Druck betrieben werden kann. Zu diesem Zweck weist die Wand 12 die Wand eines unter überdruck setzbaren Behälters auf, dem der Brennstoff und die anderen, nachfüllbaren Bestandteile der Wirbelschicht durch herkömmliche Einrichtungen (nicht dargestellt) zugeführt werden. Gemäß dem in Figur 5 dargestellten Aspekt wird eine modifizierte, ruhige Zone 24' direkt unter dem Einlaß 63' für die obere Kammer 72 ausgebildet, der durch ein Düsenventil 66 gesteuert wird, wie es im wesentlichen oben beschrieben wurde. Auf diese Weise kann auf die Entnahmeleitung 62 verzichtet werden, während die Schlammsammler (die bei 60' angedeutet sind) und die Leitung für das Wärmetauscherfluid (die bei 58' angedeutet ist) in dem Behälter angeordnet sind, um den Betrieb unter Druckbedingungen zu erleichtern.

Die Elemente, die mit gestrichelten Bezugszeichen versehen sind, haben zwar ein etwas anderes Aussehen, jedoch im wesentlichen eine ähnliche Funktion wie ihre Gegenstücke in den Figuren 1 bis 5. Da jedoch das Abgas in unter Überdruck stehenden Kesseln im allgemeinen dazu verwendet wird, beispielsweise eine Gasturbine anzutreiben, befinden sich die Speisewassererhitzer (die in den Figuren 1, 2 und 4 bei 32 angedeutet sind) nicht über der Brennkammer. Statt dessen sind sie , in bezug auf die Strömung gesehen, jenseits der Vorrichtung angeordnet, die durch das Abgas betrieben wird, um den höchsten Arbeitswirkungsgrad zu erhalten. In ähnlicher Weise sind die Überhitzerrohre (die in Figur 5 bei 30' angedeutet sind) nur in der Nähe der

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äußeren Wand der unteren Kammer 76 angeordnet (um eine zusätzliche Erwärmung zu erreichen und die überhitzung des fluiden Mediums in der Kammer 76 zu verhindern), während sich nur die nahe beieinanderliegenden Überhitzerrohre (die allgemein bei 30a' angedeutet sind) direkt über der Brenner-Wirbelschicht befinden, um die Aufprallbarriere zu bilden.

Die Funktionsweise dieser Ausführungsform entspricht im wesentlichen der Funktionsweise der Ausführungsformen nach den Figuren 1, 2 und 4; ein Unterschied besteht nur darin, daß die teilchenförmigen Materialien in dem Bett 22 direkt durch die modifizierte, ruhige Zone 24' in den Einlaß 63'a fließen, wenn Luft durch den Einlaß 64 zugeführt und das Düsenventil 66 so ausgerichtet wird, daß der Einlaß 63'a offen ist.

Zusammenfassend läßt sich also folgendes feststellen; durch die hier beschriebene Arbeitsweise läßt sich eine relativ konstante Wärmeübertragungsgeschwindigkeit in einem Zirkulationssystem mit hohem Feststoffanteil erhalten, während eine adäquate Steuerung über die Betriebstemperatur und die Kapazität mittels der Einstellung des Düsenventils durchgeführt wird. Die Steuerung der Systemparameter, insbesondere der Kapazität, wird also in erster Linie auf folgende Weise erreicht: Die Dichte der festen Teilchen in den Wärmetauscherkammern v/ird gesteuert, wobei sich Einstellpunkte an dem Brennstoffeinlaß zu dem Wirbelbett befinden; weiterhin läßt sich das Ventil einstellen, welches die Strömung in die Wärmetauscher steuert; auch das Gas kann gesteuert werden, das in die Wärmetauscher eingeführt wird; weiterhin läßt sich die Brennstoffmenge justieren, die in die Wärmetauscher eingeführt wird; und schließlich kann auch die Gasmenge, die in die Entnahmeleitung

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eingeführt wird, sowie das fluidisierende Gas eingestellt werden, des in die Wirbelschicht eingeführt wird.

Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, da bei Bedarf noch v/eitere Modifikationen vorgenommen werden können. So kann beispielsweise das Einlaßende des Wärmetauschers einschließlich des Düsenventils direkt in der Wirbelschicht angeordnet werden, wobei das Düsenventil und der Luft/Brennstoff-Einlaß von einer Stelle unterhalb der Schichtverteilerplatte betätigt werden können, so daß die teilchenförmigen Materialien direkt in die Wärmetauscherdurchgänge fließen.

Außerdem können das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung bei jedem Wärmeübertragungsmechanismus eingesetzt werden, um die Verbrennungswärme zum Zwecke des Wärmetausches auf ein fluides Medium zu übertragen; als Beispiele sollen ein Dampf/Methan-Reforming- bzw. Spaltungs-System, ein Äthylen-Cracking- bzw. Spaltdestilations-System, usw., genannt werden. Darüber hinaus kann das Feststoff-Zirkulationssysteni nach der vorliegenden Erfindung so angepaßt werden, daß es sich bei jeder exothermen Reaktionsvorrichtung einsetzen läßt, wie beispielsweise für die Reaktion von Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen.

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Claims

MÜLLER-BORE · DEUFEL · SCHÖN - HEETEL ,. ..-«,.

PATENTANWÄLTE

DR. WOLFGANG MÜLLER-BORE (PATENTANWAUT VON 1927 - 1975) DR. PAUL DEUFEL, DIPL.-CHEM. DR-ALFRED SCHÖN, DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL, DIPL.-PHYS.

Hl/Ma - J 1422 •f M 1876

WILLIAM BENEDICT JOHNSON

Gansett Point, Woods Hole
Cape Cod, Massachusetts / USA

Wlrbelschicht-Verbrennungs- und Wärmeübertragungsvorrichtung sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen

Vorrichtung

Patentansprüche

(l) Wirbelschicht-Verbrennungs- und Wärmeübertragungsvorrichtung mit einer Verbrennungskammer mit einer Wirbelschicht aus teilchenförmigen! Material, die im allgemeinen auf einem Tragteil gehaltert ist, das ein fluidisierendes, gasförmiges Medium in das teilchenförmige Material einführen kann, und

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MÖNCHEN 8β · SIEBERTSTH. 4 · POSTFACH 880720 · KABEL: MtTEBOPAT · TEL·. (089) 474005 · TELEX 5-24285

mit einem Einlaß für die Einführung eines brennbaren Brennstoffs in die Wirbelschicht, gekennzeichnet durch eine im allgemeinen vertikal verlaufende und von der Wirbelschicht (22) getrennte Wärmetauscheranordnung, die eine mit Wänden versehene Wärmetauscherkammer bildet, die im wesentlichen kein Hindernis für die Durchströmung des fluiden Mediums bietet, wobei sich das Wärmetauseherfluid in den Wänden der Wärmetauscherkammer befindet und mit einer Einrichtung für die Ausnutzung des erwärmten Wärmetauscherfluides gekoppelt ist, weiterhin durch eine Einrichtung (60) für die Entnahme eines Teils der Bestandteile der Wirbelschicht und für die Einführung des entnommenen Teils im fluidisierten Zustand in die Wärmetauscherkammer, insbesondere an ihrem Boden, weiterhin durch eine Einrichtung für die erneute Einführung des fluidisierten, durch die Wärmetauscherkammer strömenden Materials in die Wirbelschicht in der Verbrennungskammer, und zwar insbesondere von dem oberen Ende der Wärmetauscheranordnung her, wobei der entnommene Anteil des fluidisierten Materials im Umlauf von der Wirbelschicht durch die Wärmetauscherkammer in der Wärmetauscheranordnung und zurück in die Wirbelschicht in der Verbrennungskammer fließt, wodurch die dem entnommenen Teil des fluidisierten, durch die Wärmetauscherkammer fließenden Materials zugeordnete Hitze durch die Wände der Wärmetauscherkammer auf das Wärmetauseherfluid übertragen wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmeeinrichtung einen ersten Einlaß in der Wärmetauscheranordnung, und zwar insbesondere am Boden der Wärmetauscherkammer, deren Größe zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit des Teils der Wirbelschichtbestandteile in die Wärmetauscherkammer steuerbar ist, und eine Einrichtung für dieEinführung eines gewünschten Gases in die Wärmetauscherkammer, und zwar insbesondere an ihrem Boden, aufweist, um

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die Dichte des Teils der Wirbelschichtbestandteile zu steuern, der in die Wärmetauscherkammer fließt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinführungseinrichtung einstellbar ist, um die Steuerung der Menge des in die Wärmetauscherkammer eingeführten Gases zu ermöglichen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Gaseinführungseinrichtung eingeführte Gas einen brennbaren Bestandteil enthält, so daß der unverbrannte, in dem Teil der Wirbelschichtbestandteile enthaltene Brennstoff in der Wärmetauscherkammer verbrannt werden kann, um die Wärmemenge zu erhöhen, die zu dem Wärmetauscherfluid übertragen wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die einen zusätzlichen Brennstoff in die Wärmetauscherkammer einführt, und zwar insbesondere an ihrem Boden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung für die Einführung des zusätzlichen Brennstoffs eine Gaseinführungseinrichtung aufweist, wobei das Gas und der zusätzliche Brennstoff im wesentlichen gleichzeitig in die Wärmetauscherkammer eingeführt werden können.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Einlaß durch ein Düsenventil gesteuert wird, das die Einführungseinrichtung für das Gas und den zusätzlichen Brennstoff beschicken kann.

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8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscheranordnung eine senkrecht verlaufende, kontinuierliche Wärmetauscherplatte aufweist, die eine erste, vertikal verlaufende Wärmetauscherkammer bildet, welche die im wesentlichen unbehinderte Durchströmung des Teils der Wirbelschichtbestandteile ermöglicht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wärmetauscherkammer Wärmetauschertrennwände enthält, welche die Kammer in wenigstens zwei Wärmetauscherdurchgänge aufteilen, wobei jeder Wärmetauscherdurchgang in Strömungsverbindung mit wenigstens einem Teil des Teils der Wirbelschichtbestandteile steht.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiedereinführungseinrichtung eine Fortsetzung der Wärmetauschertafel aufweist, die eine zweite Wärmetauscherkammer bildet, die mit der ersten Wärmetauscherkammer gekoppelt ist und sich im wesentlichen parallel zu ihr erstreckt, wobei die zweite Wärmetauscherkammer einen Auslaß aufweist, der den Teil der durch die Wärmetauscheranordnung zurück in die Wirbelschicht fließenden Wirbelschicht nach außen abgeben kann.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Wärmetauscherkammer so ausgelegt ist, daß das Temperaturprofil des Teils der Wirbelschichtbestandteile, die durch die Wärmetauscherkammer fließen, an jeder vertikalen Stelle in der Wärmetauscherkammer im wesentlichen gleichmäßig über die Strömungsbahn ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmeeinrichtung eine in der Nähe

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des Tragteils für die Wirbelschicht angeordnete, im allgemeinen ruhige Zone in der Verbrennungskammer, die durch das fluidisierende, gasförmige, auf die Wirbelschicht wirkende Medium direkt nicht gestört wird, einen Strömungszugang, um den Zugang für dieWirbelschichtbestandteile zu ermöglichen, so daß diese in dieWärmetauseheranordnung fließen können, einen ersten Einlaß in der Wärmetauscheranordnung, und zwar insbesondere an dem Boden der Wärmetauseherkammer, dessen Größe einstellbar ist um die Strömungsgeschwindigkeit des Teils der Wirbelschichtbestandteile in die Wärmetauscherkammer zu steuern, und eine Einrichtung für die Einführung eines gewünschten Gases in die Wärmetauscherkammer, und zwar insbesondere an ihrem Boden, aufweist, um die Dichte des Teils der Wirbelschichtbestandteile zu steuern, der in die Wärmetauscherkammer fließt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinführungseinrichtung einstellbar ist, um die Steuerung der Gasmenge zu ermöglichen, die in die Wärmetauscherkammer eingeführt wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Gaseinführungseinrichtung eingeführte Gas einen brennbaren Bestandteil enthält, so daß der unverbrannte, in dem Teil der Wirbelschichtbestandteile enthaltene Brennstoff in der Wärmetauscherkammer verbrannt werden kann, um die Menge der darin übertragenen Wärme zu erhöhen.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungszugang einen im wesentlichen offenen Raum zwischen der ruhigen Zone (24) und dem ersten Einlaß aufweist, so daß die fluidisierten, sich in der ruhigen Zone (24) befindenden Materialien direkt in die Wärmetauscherkammer strömen können.

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16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungszugang eine Entnahmeleitung

(60) aufweist, welche die Strömungsverbindung zwischen der ruhigen Zone (24) und dem ersten Einlaß der Wärmetauscherkaitimer ermöglicht.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Einlaß durch ein Düsenventil gesteuert wird, das sich durch die Entnahmeleitung erstreckt und sowohl die Strömung durch den ersten Einlaß steuern als auch zur Gaseinführung dienen kann.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenventil die Einführung von zusätzlichem Brennstoff in die Wärmetauscherkammer ermöglicht, so daß dieser Brennstoff in der Wärmetauscherkammer verbrannt werden kann.
19 Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherkammer unterteilt ist, um wenigstens zwei. Wärmetauscherdurchgänge zu bilden, wobei jeder Wärmetauscherdurchgang einen Einlaß aufweist und im wesentlichen keine Hindernisse für die Durchströmung des fluiden Mediums enthält, und daß für jeden Wärmetauscherdurchgang eine Entnahmeleitung vorgesehen ist, die eine Strömungsverbindung für einen Teil des Teils der Wirbelschichtbestandteile zu seinem entsprechenden Wärmetauscherdurchgang bildet.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiedereinführungseinrichtung einen zusätzlichen Abschnitt der Wärmetauscheranordnung aufweist, der sich parallel dazu erstreckt und an einem Ende mit dem oberen Ende der Wärmetauscheranordnung gekoppelt ist, während sich das andere Ende des zusätzlichen Abschnittes zu der Wirbelschicht hin öffnet,

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so daß die fluidisierten Materialien, die im Umlauf von der ruhigen Zone in die Wärmetauscherdurchgänge strömen, durch die zusätzlichen Wärmetauscherdurchgänge in den zusätzlichen Wärmetauscherabschnitt und im allgemeinen zurück zu der Wirbelschicht strömen.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche jedes Wärmetauscherdurchgangs so ausgelegt ist, daß das Temperaturprofil der Wirbelschichtbestandteile, die durch jeden Wärmetauscherdurchgang strömen, an jeder vertikalen Stelle über die Strömungsbahn im wesentlichen gleichmäßig ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die. Wärmetauscherdurchgang einen im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt mit einer Dicke hat, die ungefähr zwischen 15,24 cm (1/2 Fuß) und ungefähr 1,22 m (4 Fuß) liegt.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Wärmetauscheranordnung, die über der Wirbelschicht angebracht ist, um das darin enthaltene Wärmetauscherfluid zu erwärmen und eine Aufprallbarriere gegen die teilchenförmigen Materialien zu bilden, die mit den Abgasen austreten wollen.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wärmetauscheranordnung wenigstens eine Schicht von nahe beieinanderliegenden Wärmetauscherrohren enthält, die über der Wirbelschicht angeordnet sind.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wärmetauscheranordnung eine Heizeinrich-

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tung enthält, um das Wärmetauscherfluid zu erwärmen, das in der Warmetauscheranordnung zirkuliert.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wärmetauseheranordnung einen Überhitzer enthält, um das Wärmetauscherfluid zu erwärmen, das in der Wärmetauscheranordnung erwärmt worden ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens Abschnitte des Tragteils für die Wirbelschicht zu der ruhigen Zone (24) hin geneigt sind.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß sie für eine Wirbelschicht-Verbrennungs/ Kessel-Vorrichtung zur Erzeugung von überhitztem Dampf verwendet wird.
29. Wirbelschicht-Verbrennungskessel für die Übertragung von Wärme auf ein Wärmetauscherfluid, gekennzeichnet durch ein Kesselgehäuse mit einer darin vorgesehenen Verbrennungskammer, durch einen Einlaß in dem Gehäuse für die Einführung eines verbrennbaren Brennstoffs in die Verbrennungskammer, durch eine Einrichtung zur Einführung eines fluidisierenden Gases, um ein fluidisierendes Gas in die Verbrennungskammer einzuführen, das den brennbaren Brennstoff und andere, gewünschte Bestandteile der Wirbelschicht fluidisiert, so daß in der Verbrennungskammer eine brennbare Wirbelschicht aus teilchenförmigen Materialien entsteht, weiterhin durch eine vertikal verlaufende Wärmetauscheranordnung, die von der Verbrennungswirbelschicht getrennt ist, einen Einlaß an seinem Boden aufweist und im wesentlichen keine Hindernisse für die Durchströmung des fluiden Mediums bildet, wobei die Warmetauscheranordnung ein Wärmetauscherfluid in Wärmetauschbe-

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Ziehung mit dem durchströmenden fluiden Medium bieten kann und in Fluidverbindung mit einer Vorrichtung zur Ausnutzung des erwärmten Wärmetauscherfluides steht, weiterhin durch eine Entnahmeeinrichtung, die in Fluidverbindung mit der Wirbelschicht steht und die Strömungsübertragung eines Teils der Wirbelschichtbestandteile von der Wirbelschicht in die Wärmetauscheranordnung durch ihren Einlaß ermöglicht, und durch eine Einrichtung für die Wiedereinführung der durch die Wärmetauscheranordnung fließenden Wirbelschichtbestandteile zurück in die Wirbelschicht, wobei eine Feststoff-Wärmeübertragungszirkulation durctjden Teil der Wirbelschichtbestandteile aufgebaut wird, der von der Verbrennungs-Wirbelschicht durch die Wärmetauscheranordnung über die Entnahmeeinrichtung und zurück in die Verbrennungs-Wirbelschicht fließt, wobei die Wärme, die den Wirbelschichtbestandteilen und den durch die Wärmetauscheranordnung fließenden Gasen zugeordnet ist, zu dem Wärmetauscherfluid in der Wärmetauseheranordnung übertragen wird, um in dem Nutzungssystem für das erwärmte Fluid ausgenutzt zu werden.
30. Wirbelschicht-Verbrennungskessel nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß zu der Wärmetauscheranordnung steuerbar ist, um die Strömungsgeschwindigkeit des Teils der Wirbelschichtbestandteile in die Wärmetauscheranordnung zu steuern, wobei die Entnahmeeinrichtung einen ruhigen Bereich (24) in der Verbrennungskammer, der durch das fluidisierende Gas von der Einführungseinrichtung für das fluidisierende Gas im wesentlichen nicht gestört wird, weiterhin ein Düsenventil an dem Einlaß der Wärmetauscheranordnung, das die Strömung des Teils der Wirbelschichtbestandteile durch den Einlaß der Wärmetauscheranordnung steuern kann, einen Strömungszugang, so daß die Wirbelschichtbestandteile und das Gas von der ruhigen Zone in den Wärmetauschereinlaß fließen können, und eine Gaseinführungseinrichtung aufweist, um ein

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gewünschtes Gas in die Wärmetauseheranordnung, und zwar insbesondere an ihrem Boden, zuzuführen, so daß die Dichte des Teils der Wirbelschichtbestandteile, der in die Wärmetauscheranordnung fließt, gesteuert werden kann.
31. Zirkulationssystem mit hohem Feststoffgehalt für einen Wirbelschicht-Kessel mit einem Kesselbehälter, der eine Wirbelschicht aus teilchenförmigen! Material in einer Verbrennungskammer enthält, gekennzeichnet durch eine Einrichtung für die Entnahme eines Teils der Wirbelschicht, durch eine' erste, vertikal angeordnete Wärmetauscherkammer mit einem Bodeneinlaß, der mit der Entnahmeeinrichtung gekoppelt ist, um von ihr das entnommene Wirbelschichtmaterial aufzunehmen, wobei die erste Wärmetauscherkammer im wesentlichen kein Hindernis für das durchströmende fluide Medium bietet, weiterhin durch eine Einrichtung für die Einführung eines Gases nach oben in die erste Wärmetauscherkammer und an ihrem Boden, so daß in der ersten Wärmetauscherkammer eine nach oben gerichtete Transportströmung des entnommenen, fluidisierten Materials entsteht, durch eine Einrichtung, um das entnommene, fluidisierte Material von dem oberen Ende der ersten Wärmetauscherkammer in die Wirbelschicht des Kessels abzugeben, wobei die Querschnittsfläche der ersten Wärmetauscherkammer in ihren Proportionen so ausgelegt ist, daß das Temperaturprofil der nach oben gerichteten Transportströmung des entnommenen, fluidisierten Materials an jeder vertikalen Stellein der ersten Wärmetauscherkammer über den Querschnitt der Strömung im wesentlichen gleichmäßig ist.
32. System nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wärmetauscherkammer mehrere Wärmetauscherdurchgänge enthält, die in der ersten Kammer durch Wärmetausehertrennwände getrennt sind, wobei jeder Wärmetauscherdurchgang mit der Entnahmeeinrichtung gekoppelt ist, um die im wesentlichen

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ungehinderte Durchströmung durch jeden Durchgang zu ermöglichen, wobei die Dicke eines jeden Durchgangs zwischen ungefähr 0,1524 m (1/2 Fuß) und ungefähr 1,2192 m (4 Fuß) liegt.
33. System nach einem der Ansprüche 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinführungseinrichtung ein oben angeordnetes, einstellbares Düsenventil direkt unter dem Bodeneinlaß der ersten Wärmetauscherkammer aufweist.
34. System nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmeeinrichtung eine im allgemeinen U-förmige Leitung aufweist, von der ein Ende in direkter Strömungsverbindung mit dem Boden der Wirbelschicht des Kessels steht, während sich das andere Ende in direkter Strömungsverbindung mit dem Bodeneinlaß der ersten Kammer befindet, daß die Gaseinführungseinrichtung eine oben angeordnete Düse in dem anderen Ende aufweist, und daß eine zweite Gaseinführungseinrichtung in der Leitung für die Einführung eines Gases tangential zu dem anderen Ende vorgesehen ist, um die Steuerung der Strömung des fluidisierten Materials von der Wirbelschicht (22) zu dem anderen Ende der Leitung zu unterstützen.
35. System nach einem der Ansprüche 31 bis 34, gekennzeichnet durch eine über der Wirbelschicht (22) angeordnete Aufpralleinrichtung, um die Bewegung von feinen Teilchen nach oben und damit ihren Austritt aus der Auslaßeinrichtung des Zirkulationssystems zu verhindern.
36. System nach Anspruch 35, gekennzeichnet durch eine Gas/ Feststoff-Trenneinrichtung, um die sich nach oben von der Auslaßeinrichtung bewegenden feinen Teilchen zu sammeln, und durch eine Einrichtung, welche die gesammelten, teilchenförmigen

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Feststoffe direkt in die Wirbelschicht (ti) eurücketihrt.
37. Verfahren zur Steuerung der Kapazität eines Wirbelschicht-Verbrennungskessels, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Transports trömungs zirkulation von teilchenförmigen Material von der Verbrennungs-Wirbelschicht durch eine Wärmetauscheranordnung und zurück zu der Wirbelschicht gesteuert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Steuerung der Dichte ein Gas in den Boden einer vertikal verlaufenden Wärmetauscheranordnung eingeführt wird, wobei eine Fluidverbindung zwischen der Wirbelschicht {21) und dem Boden der Wärmetauseheranordnung hergestellt wird, um in der Wärmetauscheranordnung einen Dichtegradient zu erzeugen, wodurch sich über die Wärmetauscheranordnung eine Druckdifferenz ergibt.
39. Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffs für die Wirbelschichtverbrennung und für die übertragung der während der Wirbelschichtverbrennung erzeugten Wärme, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Bestandteile der Verbrennungs-Wirbelschicht (22) nach oben in einer Wärmeaustauschbeziehung durch die Kammer einer Wärmetauscheranordnung fließt, die der Strömung im wesentlichen keine Hindernisse bietet, und daß der Teil, der das obere Ende der Wärtnetauscheranordnung erreicht, der Wirbelschicht wieder zugeführt wird, bo daß die Wärme, die diesem Teil der Wirbelschichtbestandteile zugeordnet ist, auf das Wärmetauscherfluid der Wärmetauscheranordnung übertragen wird.
40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Strömung ein Gas in die Wärmetauscherkammer eingeführt wird, und zwar insbesondere an ihrem Boden.

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41* Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Strömung die Größe des Einlasses zu der Wärmetauscherkanmer gesteuert wird.
42. Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas wenigstens teilweise brennbar ist, so daß der unverbrannte, in dem Teil der Wirbelschichtbestandteile enthaltene Brennstoff in der Wärmetauscherkammer verbrannt werden kann, während die dadurch erzeugte Wärme auf das Wärmetauscherfluid der Wärmetauseheranordnung übertragen werden kann.
43. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlicher Brennstoff in die Wärmetauscherkammer eingeführt wird, und zwar insbesondere an ihrem Boden, um die Verbrennung des zusätzlichen Brennstoffs in der Wärmetauscherkammer zu ermöglichen, so daß die Menge der auf das Wärmetauscherfluid übertragenen Wärme erhöht wird.
44. Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas und der zusätzliche Brennstoff im wesentlichen an der gleichen Stelle der Wärmetauseheranordnung zugeführt werden.
45. Verfahren nach einem der Ansprüche 43 oder 44, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Brennstoff fein zermahlene Kohleteilchen bis zu einer Größe von ungefähr 100 Mikron enthält.
46. Verfahren nach einem der Ansprüche 39 bis 45, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Wiedereinführung der Teil der Wirbelschichtbestandteile durch die Kammer einer parallelen Verlängerung der Wärmetauscheranordnung geführt und der Teil der Wirbelschichtbestandteile in die Verbrennungs-Wirbelschicht ausgegeben werden.

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47. Verfahren nach einem der Ansprüche 39 bis 46, dadurch gekennzeichnet, daß die Proportionen der Querschnittsfläche der Wärmetauscherkammer so ausgelegt werden, daß eine im wesentlichen gleichmäßige Temperatur über die Strömungsbahn der Wirbelschichtbestandteile erreicht wird, die an jedem Punkt in der Wärmetauscherkammer fließen.
48. Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffs in einem Wirbelschicht-Verbrennungskessel, wobei der Brennstoff und ein Sauerstoff enthaltendes Gas in einer Wirbelschicht verbrannt werden, die ein teilchenförmiges Material enthält, um Wärme für ein Wärmetauscherfluid zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des teilchenförmigen Materials für dieWirbelschicht in einer im allgemeinen vertikalen, nach oben gerichteten Transportströmung befördert wird, deren Bahn keine Hindernisse für die übertragungsströmung bietet, während der Brennstoff in der Transportströmungsbahn verbrannt wird, daß die Verbrennung in einer Wärmeaustauschbeziehung in der nach oben gerichteten Transportströmung mit einem Wärmetauscherfluid aufrechterhalten wird, daß in der Transportströmungsbahn ein im wesentlichen gleichmäßiges Verbrennungstemperaturprofil über der Strömungsbahn aufrechterhalten wird, und daß die teilchenförmigen Materialien der Wirbelschicht nach dieser nach oben gerichteten Strömung in die Wirbelschicht (22) des Kessels ausgegeben werden.
49. Verfahren nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungstemperatur im Bereich von ungefähr 815,56 C (15OO°F) bis ungefähr 982,22°C (18OO°F) liegt.
50. Verfahren nach einem der Ansprüche 48 oder 49, dadurch gekennzeichnet, daß die feinverteilten, teilchenförmigen, nach oben fließenden Materialien nach der Ausgab· gesammelt und die gesammelten, teilchenförmigen Materialien zu

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Wirbeischicht (12) zurückgebracht werden.
51. Verfahren nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Wirbelschicht (22) eingeführte Brennstoff vorgewärmt wird, indem die gesammelten, teilchenförmigen Materialien der Wirbelschicht in der Nähe des Brennstoffeinlasses zu der Schicht zugeführt werden.
52. Verfahren nach einem der Ansprüche 48 bis 51, dadurch gekennzeichnet, daß die teilchenförmigen Materialien in der TransportstrÖmungsbahn nach oben transportiert werden, indem ein Sauerstoff enthaltendes Gas nach oben in den Einlaß einer vertikal angeordneten, ersten Kammer geführt wird, welche die TransportstrÖmungsbahn bildet.
51. Verfahren nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetauscherfluid erwärmt wird, wobei sich dieses Fluid in den Wänden der ersten Kammer befindet, welche die TransportstrÖmungsbahn umgibt.
54. Verfahren nach einem der Ansprüche 48 bis 53, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Wirbelschicht in einer im allgemeinen ü-förmigen Entnahmeleitung an einem Ende entnommen wird, indem ein Sauerstoff enthaltendes Gas tangential in die Leitung bei einem Druck eingeführt wird, der größer als der Druck in der Wirbelschicht ist, und daß die entnommenen, fluidisierten, teilchenförmigen Materialien in den unteren Auslaß der TransportstrÖmungsbahn ausgegeben werden.
55. Verfahren nach einem der Ansprüche 48 bis 54, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff nach oben in die TransportstrÖmungsbahn eingeführt wird.

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INSPECTED

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56. Verfahren nach einem der Ansprüche 48 bis 55, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur sich an jedem Punkt über der Transportströmungsbahn um nicht mehr als ungefähr 11,11°C (2O⁰F) ändert.
57. Verfahren nach einem der Ansprüche 45 bis 56, dadurch gekennzeichnet, daß die teilchenförmigen Materialien der Wirbelschicht durch die Transportströmungsbahn in einer Zeitspanne im Umlauf geführt werden, die von 5 bis 120 Sekunden reicht.
58. System zur Übertragung und Steuerung der Wärme einer exothermen Reaktion, die in einer Wirbelschicht und einem davon getrennten Behälter für die Zirkulation von Feststoffen abläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der größere Teil der freigesetzten Wärme auf die Wände des Behälters übertragen wird.

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