DE2804073C2

DE2804073C2 - Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2804073C2
Application number: DE19782804073
Authority: DE
Inventors: William Benedict Cape Cod Mass. Johnson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-01-31
Filing date: 1978-01-31
Publication date: 1986-03-13
Also published as: GB1601231A; JPS53124332A; AU3282978A; BR7800566A; AU515289B2; CA1096707A; CA1108936A; JPS6240601B2; DE2804073A1

Description

4. Wirbelschicht-Verbrerinungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Wärmetauscherkammer (70) derart ausgelegt ist, daß das Temperaturprofil des Teils der Wirbelschichtbestandteile, die durch die Wärmetauscherkammer (70) strömen, an jeder vertikalen Stelle in der Wärmetauscherkammer im wesentlichen gleichmäßig über die Strömungsbahn ist.

5. Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherkammer (70) aufgeteilt ist, um wenigstens zwei Wärmetauscherdurchgänge (84) zu schaffen.

Die Erfindung betrifft eine Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch die DE-OS 23 52 412 ist eine derartige Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung bskannt. Bei dieser

Vorrichtung sind zwei individuell fluidisierte Betten vorgesehen, die miteinander in Verbindung stehen. In dem

4(1 zweiten Fließbett sind Wärmetauscherrohre vorgesehen, mit deren Hilfe eine Temperatursteuerung des ersten Fließbettes erfolgen soll. Eine Materialströmung erfolgt zwischen den Betten dort nur, wenn die Temperatur in den Betten nicht auf dem gewünschten Wert liegt.

Aus der DE-PS 38 93 426 ist eine Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung mit einer Wärmetauscheranordnung bekannt, bei welcher die Wände zweier im wesentlichen voneinander getrennter Kammern von Wärmetauscherrohren gebildet werden. Zusätzlich ist in der Wirbelschicht einer Kammer eine Wärmetauscheranordnung angeordnet. Diese Vorrichtung verhält sich im Betrieb wie die aus der DE-OS 23 52 412 bekannte Vorrichtung.

In »Chemical Engineering Progress«, vo. 67, No. 2, Febr. 1971, Seiten 58—03, ist ein Kalizinierofen mit einem zirkulierenden Wirbelschichtbett beschrieben. Die Kalzinierung erfolgt dort in einer expandierenden Wirbelschicht in einem Ofen, der über eine Zu- und eine Rückleitung mit einem Zyklon verbunden ist. In dem Zyklon erfolgt eine Trennung der Feststoffteilchen von einem Verbrennungsgas. Die Feststoffteilchen werden dem Wirbelschichtbett wieder zugeführt. Eine Abführung von Verbrennungswärme über Wärmetauscher ist dort nicht angesprochen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Vorrichtung dahingehend zu verbessern, daß eine maximale Ausnutzung der Ernergie der Brennstoffteilchen erfolgt und eine hochleistungsfähige Wärmeübertragung bei einer feinen Steuerung der Vorrichtung ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Bei dieser Vorrichtung ist eine Verbrennungskammer vorgesehen, die mit einer Wärmetauscherkammer verbunden ist.

M> Durch die Ausbildung der Wärmetäuscherkarnffier und deren Aufteilung in aufsteigende und absteigende Strömungskammern. welche durch einen Abschnitt miteinander verbunden sind, erfolgt ein gleichmäßiger Wärmeübergang über die ganze Länge der Wärmetauscherkammer. Damit ist eine optimale Ausnutzung der F.ncrgic gegeben. Weiterhin ist es möglich, mit einfachen Mitteln eine feine Steuerung der Vorrichtung bzw. des in der Vorrichtung laufenden Verfahrens zu erreichen.

hi Diese Steuerung kann erfolgen, indem zusätzliche Brennstoffe oder zusätzliche, beispielsweise mit Sauerstoff angereicherte Gase eingeleitet werden. Dadurch ist es auch möglich, die Strömungsgeschwindigkeit des fluidisierten Materials in den Strömungskammern der Wärmetauscherkammer zu regeln.
Weitere bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Teilansicht einer Wirbelschicht-Verbrenniingsvorrichlung.

F i g. 2 in vergrößertem Maßstab einen Teil eines Querschnitts durch die Wärmetauscherkarnmer, und F i g. 3 einen Schnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform der Wärmetauscherkammer.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung 10 mit Behälter-Wänden 12 und mit einem Brennstoffeinlaß 14 dargestellt. Die Brennstoffeinlaßvorrichtung 14 kann irgendeinen herkömmlichen Zuführmechanismus für die Beschickung bzw. Einspritzung von Brennstoffen enthalten, wie beispielsweise einen fossilen Brennstoff, Heizöl, oder einen teilchenförmigen Brennstoff, wie beispielsweise Kohleteüchen. oder eine Kombination solcher Brennstoffe. Der Brennstoffeinlaß kann also beispielsweise einen Schraubenförderer für die Einführung von teilchenförmiger Kohle oder einen Wurf-Wanderrost enthalten, der die Teilchen über die gesamte Wirbelschicht wirft und dabei verteilt.

Die Vorrichtung 10 enthält 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, wie Luft). Der Einlaß 16 ist mit der Verbrennungskammer 28 gekoppelt, um dieses Gas zuzuführen und die das Wirbelbett bildenden Bestandteile zu fluidisieren. Zu diesem Zweck enthält die Vorrichlung 10 ein Tragteil 18, das durch eine Bodenplatte 17, Trennteile 19, die sich von dort oben erstrecken, und eine perforierte Verteilerplatte 20 gebildet wird, die durch die Trennteile 19 gehaltert wird, so daß mehrere Luft-Verteilungskammern entstehen. Die Verteilerplatte 20 erstreckt sich über einen größeren Teil des unteren Querschnittes der Vorrichtung; die Verteilerplatte kann an einem Ende geneigt oder schräg angeordnet sein.

Das Fluidisierungsgas wird vor dem Einlaß 16 in das Tragteil 18 (durch Einlaßleitungen v>a, die jeweils zu einer Luftverteilungskammer führen) für die Verteilung in der Wirbelschicht-Verbrennungskammer 28 durch die Verteilerplatte 20 zugeführt, um die Verbrennungsbettbestandteile zu fluidisieren. Die Wirbelschicht kann ein inertes, hitzebeständiges Material, wie beispielsweise Sand oder 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. AIr 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 Verbrennungskammer 28 eine brennbare Wirbelschicht aus teilchenförmigen! Material zu bilden.

Die Wirbelschicht-Verbrennungskammer 28 weist keine Wärmetauscherrohre auf, obwohl solche Rohre bei Bedarf in die Wirbelschicht eingeführt werden können, um beispielsweise die Wirbelschicht 22 zu kühlen. Die Wirbelschicht 22 enthält an einem Ende einen ruhigen Abschnitt 24, der nicht durch die Einführung des Fluidisierungsgases durch die Verteilerplatte 20 gestört wird, wie es der Fall ist im Bereich der Schichtbestandteile, der sich direkt über der Verteilerplatte 20 befindet.

Über der Wirbeischicht 22 sind Wärmetauscherrohre oder Überhitzerrohre 30 so in der Verbrennungskammer 28 angeordnet, daß ein Strahlungswärmetausch möglich ist. Die Überhitzerrohre 30 enthalten nicht nur Dampf, der durch die aufsteigenden Gase und Teilchen von der Wirbeischicht erwärmt werden soll, sondern sie dienen auch als Aufprallsperre für die Bewegung der feinen, durch die Gase getragenen Teilchen nach oben. Die Vorrichtung 10 weist obere Wärmetauscherrohre 32 oder Speisewassererhitzer auf, die sich ebenfalls i.i der Verbrennungskammer 28 über der Wirbelschicht und den Überhitzern 30 befinden. Die Rohre 32 enthalten im allgemeinen Wasser, das durch Wärmetausch mit den aufsteigenden Gasen von der Wirbelschicht 22 erwärmt werden soll; 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, befindet sich über den Rohren 30 und 32 in der Verbrennungskammer 28, um die sehr feinen, nach oben strömenden Feststoffteilchen aufzunehmen, welche die Aufprallbarrieren passieren. Die Gas/Feststoff-Trenneinrichtung 34 leitet die so aufgefangenen fein verteilten, getrennter. Feststoffe durch eine Rückführleitung 36 für die Feststoffe zu einem Einlaß 38, so daß diese Feststoffe direkt zu der Wirbelschicht 22 zurückgebracht werden. Der Auslaß für die Feststoff-Rückführleitung 36 befindet sich nahe bei dem Brennstoffeinlaß 14. um die Vorwärmung des ßrennslof fes zu unterstützen, welcher der Wirbelschicht 22 zugeführt werden soll.

Die Vorrichtung 10 enthält ferner eine Dampf/Wasser-TrennungskesseltroTnmel 40, einen Abgas-Lufterhitzer 42, der das Abgas vor der Trenneinrichtung 34 aufnimmt, um die durch den Einlaß 16 eingeführte Luft zu erwärmen, sowie einen damit gekoppelten Abgas-Auslaß 44, der zu Filten und schließlich zu einem Schornstein führt. Der Auslaß 44 enthält einen Luftschieber 46. um .!ie T'lugasche durch einen Aschenauslaßbehälter zu entfernen, bevor die Abgase nach außen gegeben werden. Die Vorrichtung weist einen Einlaß 48 für die Einführung des Wärmetauscherfluids, wie beispielsweise des Speisewassers, zu dem Kesseisystem auf. Der Einlaß 48 ist mit einem Einlaß-Sammler bzw. -Verteiler 50 für den Speisewassererhitzer 32. gekoppelt, dessen Auslaßverteiler 52 zu der Trommel 40 führt. Der Einlaß 54 des Überhitzers 30 ist mit der Trommel 40 gekoppelt und weist einen Auslaßverteiler 56 auf, welcher der Auslaß für den überholen 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. &o

Das Rezirkulationssystem für Gase mit hohem Feststoffanteil weist eine U-förmige Strömungsleitung Ö2 auf, deren Einlaß durch trichterförmiges Einlaßventil 61 in direkter Verbindung mit dem ruhenden Abschnitt 24 der Wirbelschicht steht, so daß das teilchenförmige Material von der Wirbelschicht direkt in die Strömungsleitung abgezogen werden kann. Die Strömungsleitung 62 enthält ein trichterförnrijes Auslaßteil 63. um fluidisierte Teilchen in eine Wärmetauscherkammer 70 einzuführen. Die Strömungsleitung 62 hat eine im allgemeinen t» reduzierte Querschn-ttsfläche relativ zu der Querschnittsfläche der ruhigen Zone 24. damit eine ausreichende .Steuerung über die zirkulierende Strömung der fluidisierten Teilchen zwischen der Verbrennungskammer und der Wärmetauscherkammer möglich ist.

Die- Leitung 62 kann cine kreisförmige Querschnittsfläche haben, während der Einlaßteil 61 kegelförmig bzw. konisch zuläuft, und zwar sowohl wie es in F i g. I angedeutet ist, als auch in der dazu senkrechten Richtung, um die Dichte der fluidisierten. teilchenförmigen Materialien, welche die ruhige Zone 25 verlassen, zu erhöhen. Der Auslaß 63 ist mit einer Erweiterung in der aufwärtigen Strömungsrichtung versehen, um die Strömung über eine perforierte Vcrteilerplatte 68 zu verteilen, die sich an dem Boden der Wärmetauscherkammer befindet. Die Vorrichtung 10 weist einen Einlaß 64 für die Einführung eines Gases mit einem brennbaren Bestandteil, wie beispielsweise Luft, oder bei Bedarf eines Gemischs von Luft und einem Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas oder einem anderen Brennstoff auf. Darüber hinaus kann eine einstellbare Düse 66, die in der Strömungslcitung 62 justiert werden kann, in der Leitung 62 verschoben werden, um die Zirkulationsgeschwindigkeii der Fcststoffe in der Wärmetauscherkaminer durch eine vertikale Bewegung der Düse 66 in der 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 Brennstoffeinlaß zugeführt werden.

Die Düse 66 und der Lufteinlaß 64 sind als integrales bzw. einstückiges, einstellbares Düsenventil ausgebildet, das ein Kolbenventil oder ein Injekiions-Kegelventil aufweist.

Die Wärmetauscherkammer 70 weist eine vertikale, aufsteigende Strömungskammer 72, eine gewölbte Dachkammer 74 und eine absteigende Kammer 76 für die nach unten verlaufende Strömung auf. Die Strömungskammern 72 und 76 sind aus üblichen Wärmetauscher- bzw. Rippenwänden 87 für Kessel hergestellt, die eine Reihe von Wärmetauscherrohren 88 aufweisen, die miteinander durch Rippen bzw. Verstärkungen verbunden sind. Mehrere Trennwände 86, die ebenfalls durch Rohre 88 gebildet werden, befinden sich in bestimmten, räumlichen Abständen zwischen und senkrecht zu den Wänden 87 der Rohre 88, so daß eine Reihe von im allgemeinen parallelen Wärmetauscherdurchgangen 84 zwischen den Wänden einer jeden Kammer für die Transportströmung des teilchenförmigen Materials entsteht (Fig. 2). Die gewölbte Dachkammer 74 besteht ebenfalls aus miteinander verbundenen Wärmetauschenvänderi 87 mit Verstärkungen oder Rippen und dient als Verbindung fur das Wärmetauscherfluid zwischen den jeweiligen Wärmetauscherwänden der Kammern 72 und 76. Der Bereich jeder Trennwand 86, der sich in der gewölbten Kammer 74 befindet, ist 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 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 78, der das erwärmte Wärmetauscherfluid zu der Kesseltrommel 40 leitet.

Querverbindungen 90 und 92 stellen jeweils eine F luidverbindung zwischen den Rohen 88 der inneren Wand 87 der aufsteigenden Kammer 72 und der inneren Wand der absteigenden Kammer 76 sowie zwischen den inneren und äußeren Wänden der Kammer 76 her. so daß das Wärmetauscherfluid in den Kammern 72 und 76 nach oben und durch einen der Sammler bzw. Verteiler 78 in die Trommel 40 fließt. Selbstverständlich können /v.ei .Siin'ifmci' 78 verwendet werden, damit in iliirjn nichi zu viele Löcher (welche ucfi Eintritt Von jcuCiTi uärfiii gekoppelten Rohr 88 ermöglichen) vorgesehen sein müssen, die jeweils den Sammler schwächen. Es kann jedoch auch cm großer Sammler 78 verwendet werden, um alle Rohre aufzunehmen, ohne daß die Gefahr der Bildung ■> on konstruktiven Schwachsiellen besteht.

Obwohl sich in natürlicher Kreislauf des VVärmetauscherfluids durch die oben beschriebenen Leitungen ergibt, sind in der Fluidleitung 58 Pumpen 59 angeordnet, um die Strömung zu unterstützen, und zwar insbesondere v«.ar,,-end des Anlaufens der Vorrichtung. Darüber hinaus führen die Querverbindungen 90 (die mit den Trennwänden 86 ausgerichtet und in gleicher Zahl vorgesehen sind) in einen Sammler 94 an dem Boden aller Rohre 88 der inneren Wand 87 der Kammer 76 und sind mit allen diesen Rohren 88 gekoppelt, während die Querverbindungen 92 (die ebenfalls mit den Trennwänden 86 ausgerichtet und in gleicher Zahl wie diese vorgesehen sind) von dem Sammler 94 zu einem Sammler % an dem Boden aller Rohre 88 der äußeren Wand 87 der Kammer 76 führen und mit allen Rohren 88 gekoppelt sind.

Die Strömungskarnmer 76 weist einen Ausgang 80 für die Feststoffe auf, der sich in die Verbrennungskammer 28 öffnet, und zwar direkt über der Wirbelschicht 22. wodurch die Teilchen, die sich in der Strömungsleif ng 62 und den Kammern 72. 74 und 76 im Umlauf bewegen, nach unten in die Wirbelschicht 22 ausgegeben und zurückgeführt w erden. Obwohl sich der Auslauß 80 über der ruhigen Zone 24 befindet, neigen die Teilchen in der Auslaßströmung dazu, aufgrund dor Mischung der Auslaßströmung mit den Gasen, die von der Wirbelschicht 22 und der ruhigen Zone 24 aufsteigen, in die Wirbelschicht 22 zu fallen. Bei der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform befindet sich der Auslaß nicht über der ruhigen Zone, sondern über der Wirbelschicht 22.

Wenn sich die verschiedenen Gase (d. h„ die in der Wärmetauscherkammer 70 strömenden Abgase und die in die Wärmetauscherkammer 70 eingeführten Gase) sowie das teilchenförmige Material durch die Kammer 72,74 und 76 bewegen, strömt das teilchenförmige Material in der Nähe der Oberfläche der Trennwände 86 im allgemeinen auf einer kreisförmigen Cahn aufgrund der kombinierten Wirkung des Strömungswiderstandes 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 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.

Die Siromungsieitung 62 enthält einen Lufieiniaß 82, weicher die Fluidisation (d. h. die Steuerung der Dichte) des festen, teilchenförmigen Materials von der Wirbelschicht unterstützt 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 die Wärmetauscherkammer 70 zu erleichtern, kann die Verteilerplatte 20 eiwas nach unten /u der ruhigen Zone 24 hin geneigt sein; dies ist insbesondere Für relativ flache Wirbelschichten zweckmäßig (kleiner als ungefähr 15 cm). Als Alternative hierzu kann die Verteilerplattc 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 nicht sehr dicken > Wirbelschichten (d. h. ungefähr 15 cm oder mehr) findet jedoch die obere Oberfläche der Wirbelschicht ihren rigenen Neigungs- bzw. Lagewinkel zu der ruhigen Zone 24, wenn die Verteilerplatte 20 nicht geneigt ist.

F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf ein Rezirkulationssystem für Gase mit hohem Anteil an Feststoffen, wobei die aufsteigende 72 und die absteigende 76 Strömungskammer mehrere Wärmetauscherdurchgänge 84 aufweisen, die jeweils ungefähr 60 cm tief (d. h., der Abstand zwischen gegenüberliegenden Wänden 87) und ungefähr 1,8 m breit (d. h.. der Abstand zwischen den Trennwänden 86 sind. Die aufsteigenden und die absteigenden Strömungskammern sind also als Vielzahl paralleler, ausgerichteter Strömungsdurchgänge ausgebildet.

Die Querschnittsfläche der Kammern 84 sollte nicht so groß sein, daß ein zu hoher Wärmegradient über den Querschnitt eines Wärmetauscherdurchgangs (d. h., zwischen der Mitte des Durchgangs und der benachbarten Wand) an irgendeinem Punkt in den Kammern 72, 74 und 76 möglich wird. Deshalb sollte die Querschnittsfläche ι > so begrenzt werden, daß ein im wesentlichen gleichmäßiges, hohes Temperaturprofil über den Querschnitt an jedem gegebenen Punkt in jeder Kammer während der Umlaufströmung des Gases mit hohem Feststoffgehalt aufrechterhalten werden kann. Eine zu große Ouerschnittsfläche verhindert die Aufrechterhaltung eines im wesentlichen gleichmäßigen Temperaturprofils, weil der Kontakt der fluidisierten Teilchen in dem mittleren Abschnitt der Strömungskammer nicht ausreicht, um eine effektive Wärmeübertragung zu bewirken.

Im folgenden sind einige Abmessungen angegeben: Die Tiefe eines jeden Wärmetauscherdurchgangs 84 sollte wenigstens ungefähr 15 cm, jedoch nicht mehr als ungefähr 1,20 m über alle Querschnitte der drei Kammern 72, 74 und 76 betragen. Darüber hinaus beträgt die Breite jedes Durchgangs 84 nicht mehr als ungefähr 1,8 m. Die Breite des Durchgangs von 1,8 m 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 Wärmeübertragung zu optimieren.

Die Begrenzung der Tiefe eines jeden Durchgangs 84 ist besonders zweckmäßig, da bei einer Tiefe von weniger als ungefähr 15 cm das teilchenförmige Material in der Nähe der Wärmetauscherwände 86 sich nicht im Umlauf bewegen kann, da die durch die Wärmetauscherdurchgänge 84 strömenden Gase alle Teilchen durch die jo Wärmetauscherkammer drücken und die kombinierte Wirkung der Schwerkraft und der Reibungskräfte an den Wänden überwinden. Umgekehrt können bei einer Breite von mehr als ungefähr 1.20 m die teilchenförmigen Materialien in der Nähe der Wärmetauscherwände dem Druck des durch die Strömungskammern 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 Durchgänge 84 gelangen, um ein defektes Rohr 88 zu reparieren, so daß ganze Abschnitte weggeschnitten werden müssen. Die Aufrechterhaltung des gleichmäßigen Temperauturprofils ist besonders wichtig, da dann 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 dem Verfahren wird großer Wert auf den effektiven Wärmetausch während der Transportströmung der teilchenförmigen Wirbelschicht-Materialien gelegt, die aus der Strömungsleitung 62 abgezogen und durch die Wärmetauscherkammer geleitet werden. In der Verbrennungskammer 22 mit der Wirbelschicht tritt keine Transportströmungsbewegung der darin befindlichen Teilchen auf.

Zweckmäßigerweise erfolgt auch eine Verbrennung in der Wärmetauscherkammer 70 aufgrund von unverbrannten Brennstoffen im Rezirkulationssystem und der Luft, die durch den Lufteinlaß 64 und/oder den Lufteinlaß 82 zugeführt wird, und aufgrund der zusätzlich zugeführten Brennstoffe. Der feste Brennstoff, der der Wärmetauscherkammer 70 zugeführt wird, liegt normalerweise in der Form von relativ kleinen Teilchen vor, um die rasche Verbrennung in dem Rezirkulationssystem für die Feststoffe zu ermöglichen. Der Zusatz dieses festen Brennstoffes mit kleiner Teilchengröße ist ein wesentlicher Vorteil, da feine Materialien, die durch Schleifen bzw. Mahlen bzw. Feinzerkleinerung des festen Brennstoffs hergestellt worden sind, mit hohem Wirkungsgrad in dem System 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 bekannten Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtungen eingesetzt, weil die Gefahr besteht, daß sie aus der Wirbelschicht herausgeblasen werden, bevor eine vollständige Verbrennung erfolgt ist. Darüber hinaus ergeben die brennenden Teilchen, die sich durch die Wärmelauscherkammer 70 bewegen, im allgemeinen eine gleichmäßigere Temperatur über die gesamten Strömungswege — das heißt, von dem Einlaß bei 68 zu dem Auslaß 80 — während sie Wärme zu den Wärmetauscherwänden strahlen, um zusätzliche Wärme zu übertragen.

Bei der Vorrichtung kann die Zirkulationsgeschwindigkeit der Feststoffe für die Wirbelschicht bei der Strö- e>o mungsübertragung über das gesamte Rezirkulationssystem gesteuert werden, indem einfach das einstellbare Düsenventil 66 variiert wird, das dadurch die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung auf die Trennwände und die Rohre 88 in der Wärmetauscherkammer 70 steuert, wodurch sich wiederum die Kapazität der Vorrichtung rasch herunterregeln oder erhöhen läßt. Diese Steuerung der Wärmeübertragungsgeschwindigkeiten kann bei stationären Wirbeischicht-Verbrennungsvorrichtungen 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 Zusammenfallen der Wirbelschicht verursacht. Darüber hinaus ist die Höhe der herkömmlichen Verbrennungsvorrichtungen mit Wirbelschichten normalerwei-

se aufgrund von Druckabfallbctrachtungen begrenzt, wodurch wiede-um die Größe der Kühleroberfläche beschränkt wird, die in die Wirbelschicht eingetaucht werden kann. Bei der hier gezeigten Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung gibt es jedoch diese Einschränkung nicht, da die Größe der Kühleroberfläche, die dem Wärmeübertragungsniedium ausgesetzt ist, sich durch Änderung der Zirkulationsgeschwindigkeit und der Konzcntration der Feststoffe in dem Zirkulationssystem ohne eine Erhöhung des Druckabfalls über dem System variieren Ia¹Jt. Der Druckabfall über das gesamte Rezirkulationssystem mit hohem Feststoffanteil ist nicht größer als der Druckabfall über der Wirbelschicht 22, und die statische Druckhöhe der fluidisierten Teilchen in dem ruhifein Abschnitt 24 ist größer als der Druckabfall in dem Rezirkulationssystem für die Feststoffe, so daß sich der Druckgradient ergibt, der für die gewünschte Zirkulationsgeschwindigkeit erforderlich ist.

ίο In dieser Vorrichtung kann ein viel größerer Bereich an Größen der teilchenförmigen Materialien im Vergleich mit den herkömmlichen Vorrichtungen 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 erforderlichen Reaktionsgeschwindigkeiten mit den Verunreinigungen des Brennstoffs zu erreichen. Typische Teilchengrößen können im Bereich von 450 μπι bis herab zu ungefähr 40 μΐη liegen. Während in einer typischen Wirbelschicht der Bereici, von ungefähr 250 bis ungefähr 450 μπι reicht, können in der Vorrichtung Teilchen mit einer mittleren Größe vor; ungefähr 40 bis ungefähr 150 μτη eingesetzt werden, wodurch sich hohe Wärmeübertragungsgeschwindigkeitcn ergeben. Selbstverständlich werden »erschöpfte« das heißt, vollständig äüSicägietie, aktive Teilchen mit den Ascheteilchen abgezogen und frische, aktive Teilchen zusammen mit frischem Brennstoff neu zugeführt.

Die Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung erbringt 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 bespielsweise die Kammer eine Abmessung von 1,83 m χ 0.61 m hat, so beträgt das Temperaturprofil oder die Differenz zwischen der Mitte des Durchgangs und den Teilchen, die sich nahe an der Wandoberfläche befinden, ungefähr 5.5¹C oder weniger, wenn die Wandoberfläche eine Temperatur von ungefähr 260°C hat und die Betriebstemperatur ungefähr 8I5°C bis 926⁰C beträgt. Dies ist auf die große Menge an Feststoffen zurückzuführen, die sich längs der Wand durch den Reibungswiderstand und die Schwerkraft im Umlauf bewegen, die der Strömung der tragenden Gase nach oben entgegenwirken.

Die Verbrennungsvorrichtung 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 das Tragteil 18 und die Verteilerplatte 20 eingeführt wird, so daß eine erwärmte Wirbelschicht 22 entsteht. Die entsprechenden Abmessungen des Wirbelbettes für jeden Wärmetauscherdurchgang 84 von l,80mx0,60m in der Wärmetauscherkammer kann eine Größe mit einer Tiefe von ungefähr 1.80 m (die der Breite des Durchgangs 84 entspricht) bei einer Breite von 4,3 m (dem Abstand von dem Einlaß 14 zu der ruhigen Zone 24) und eine Höhe von ungefähr 0,60 m haben. Die Größe und Höhe der Wirbelschicht hängt jedoch von der Vorrichtung ab und kann entsprechend variiert werden. Die Wirbelschicht-Teilchen können eine Dichte von näherungsweise 0,56 g/cm³ bis 1,2 g/cm³ oder im allgemeinen ungefähr 0,8 g/cm³ haben, wobei der Druckabfall in dem Kessel ungefähr 0.07 kg/cm² beträgt ur.J die dem Lufteinlaß 16 zugeführte Luft (die durch den Lufterhitzer 42 auf ungefähr 400°C vorgewärmt wurde) einen Druck von ungefähr 0,07 kg/cm² über dem Atmosphärendruck hat.

Sobald die Vorrichtung den Betrieb begonnen hat, wird Luft (die ebenfalls durch den Lufterhitzer 42 vorge-

Ai wärmt wurde) durch den Lufteinlaß 82 bei ungefähr 0,1 kg/cm² 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 Strömungsleitung 62 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 Strömungsleitung 62 eingeführten teilchenförmigen Materials ermöglicht. Wie oben beschrieben, tritt eine 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 Verbrennungskammer 28 ausgegeben. Der größere Teil der Teilchen wird für die Rezirkulation zu der Wirbelschicht zurückgebracht, wobei der Druck in der Auslösekammer im allgemeinen ungefähr 0,018 bis 0,035 kg/cm² 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 der Verbrennungskammer 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 die Trenneinrichtung 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 Lufterhitzer 42 und den Rauchgasauslaß

44; anschließend werden sie durch die Filter und im Schornstein nach außen abgegeben.

Da: Wärmetauscherfluid, zu Beginn Wasser (wie beispielsweise der kondensierte Dampf von einem Dampflurbincngenerator oder eine andere, dampfbetätigte Vorrichtung, die mit dem Fluidauslaß 56 der Vorrichtung 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 Strömungssystem mit hohem Anteil an Feststoffen ist schematisch in F i g. 1 dargestellt, wobei die verschiedenen Abschnitte der Vorrichtung mit alphabetischen Zeichen gekennzeichnet sind. Als typisches Beispiel für eine solche Vorrichtung können die folgenden Znhlwerte angegeben werden: Die Kesseltrommel 40 hat einen Dampfdruck von 0,70 kg/mm²; die Vorrichtung ist auf eine Geschwindigkeit von ungefähr 22 680 kg Dampf (Lei ungefähr 537) pro Stunde für eine Wärmetauscherkammer 84 von 0,60 m χ 1,80 m mit einer vertikalen, nach oben gerichteten Strömungslänge von ungefähr 9,15 m (zwischen der Verteilerplatte 68 und dem Bogenabsciinitt 74) und mit einer vertikalen, nach unten gerichteten Strömungslänge von ungefähr 5.50 m (zwischen dem Bogenabschnitt 74 und dem Auslaß 80) ausgelegt. Die Zirkulation der gesamten Wirbelschicht erfolgt mit einer Geschwindigkeit von 9,0 kg Feststoffe, die pro 0,45 kg erzeugtem Dampf im Umlauf iieführt werden, wobei die gesamte Aufenthaltszeit der Feststoffe in dem System im Bereich von ungefähr 5 bis 60 Sekunden liegt. Die Wärmeübertragung, die Dichte der Feststoffkonzentration und die Oberflächengeschwindigkeit des Gases für diesen Kessel können im einzelnen der folgenden Tabelle entnommen werden.

Tabelle I

Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung
Mittlerer Teilchendurchmesser 150 iim
ig.1)

Wärmeübertragungs-	Fesistoffkon/entration-	Obcrflächen-
gtschwindigkeit	Dichte	gcschwindigkeit(V)
(Kcal/hr/m²/=C)	(kg/m¹)	des Gases (m/sek.)
	800.0
	25,6
244	54.5	4.6
331	75.3
175	17,6
	4.8 1 1	2,4
	1.1 0,02

A B C D E F C H

Beim typischen Betrieb einer Vorrichtung mit dem oben beschriebenen Aufbau werden ungefähr 454 kg Dampf pro 6,45 cm² erzeugt; die Temperatur des Kesselspeisewassers, das an dem Einlaß 48 eintritt, jeträgt ungefähr 168⁰C: dieses Wasser wird in dem Wärmetauscher 32 auf 251 C 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. Der Dampf von der Kesseltrommel 40 wird in dem Erhitzer 30 auf ungefähr 537"C überhitzt. Bei Verwendung von Illinois Kohleteilchen mit hohem Schwefelgehalt beträgt die Temperatur der Wirbelschicht 22 843°C, während die Auslaßtemperatur bei 80 ungefähr 782°C beträgt: die Einlaßtemperatur an der Platte 20 ist 837⁰C, während die Gesamtdifferenz des Temperaturprofils über die gesamte Vorrichtung bei ungefähr 37°C liegt. Das in die Trenneinrichtung 34 eintretende Rauchgas hat eine Temperatur von 511 ⁼ C. während die vorgewärmte Luft an den Einlassen 16 und 64 eine Temperatur von 400°C hat. Die beschriebenen Bedingungen ermöglichen den Betrieb der Vorrichtung 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 Wärmeübertragungsgeschwindigkeiten 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 aufsteigenden und absteigenden Kammer verbindet, beeinflußt ebenfalls die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit, und zwar offensichtlich aufgrund von Tangetialkräften 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.

F i g. 3 zeigt eine andere Ausführungsform, wobei der Auslaß 80 der absteigenden Strömungskammer 76 so ausgelegt ist, daß er die austretende Transportströmung direkt in die Wirbelschicht 22 abgeben kann. Zu diesem Zweck ist ein gebogener, verlängerter Bereich 98 an dem Ende dei inneren Wand 87 der absteigenden Strömungskammer 76 ausgebildet, wobei der Auslaß 80 dadurch eine Auslaßebene definiert, die vertikal ist. Dementsprechend werden die teilchenförmigen Materialien, die aus der Kammer 76 austreten, horizontal ausgegeben.

40 45

Die schwereren Teilchen fallen deshalb direkt in die Wirbelschicht 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 zurückgestoßen werden, die durch den Oberhitzer 30 und die Wärmetauscherrohre 32 für das Speisewasser gebildet werden.

Die Überhitzerrohre 30 weisen einen Abschnitt mit geringem Abstand bzw. Zwischenraum (der bei 30a angedeutet ist) auf. 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 Aufprallbarriere für die nach oben gerichtete Strömung des teilchenförmigen Materials. Darüber hinaus werden die mit geringem Abstand cnge-

;o ordneten 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 Auslassens 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung mit einer Verbrennungskammer, in der eine Wirbelschicht aus teilchenförmigen! Material auf einem Tragseil ausgebildet ist, durch das ein fluidisierendes Gas in das teilchenförmige Material eingeführt werden kann, und die Verbrennungskammer mit einem Einlaß ium Einführen eines Brennstoffs in die Wirbelschicht versehen ist, mit einer Wärmetauscherkammer, die unten einen Einlaß für ein Gas aufweist und in der eine von einem Wärmetauscherfluid durchströmte Wärmetauscheranordnung angeordnet ist, wobei das Wärmetauscherfluid mit einer Einrichtung für die Ausnutzung der erzeugten Wärme verbunden ist, und mit einer Einrichtung für die Entnahme eines Teils der Bestandteile der

ίο Wirbelschicht aus der Verbrennungskammer und zur Einführung des entnommenen Teils von unten her in

die Wärmetauscherkammer und zur Rückführung der Bestandteile in die Verbrennungskammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscheranordnung die Wände (87) der Wärmetauscherkammer (70) bildet, daß die Einrichtung zur Entnahme der Bestandteile der Wirbelschicht aus der Verbrennungskammer (28) und zur Einführung dieser Bestandteile in die Wprmetauscherkammer (70) eine neben dem Tragteil (18) nach unten abzweigende Strömungsleitung (62) ist. und daß die Wärmetauscherkammer (70) zusammen mit der Strömungsleitung (62) als Rezirkulationssystem für Gase mit hohem Feststoffanteil ausgebildet ist, wobei die Wärmetauscherkammer (70) eine aufsteigende Strömungskammer (72), eine gewölbte Dachkammer (74) und eine zu der Wirbelschicht in der Verbrennungskammer auslaufende absteigende Strömungskammer (76) aufwe:*'.

2.Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der absteigenden Strömungskammer (76) einen sich verengenden gebogenen Bereich (98) zum Auslaß der Teilchen im wesentlichen in Horizontalrichtung aufweist.

3.Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unten an der aufsteigenden Strömungskammer (72) der Einlaß (64) für Luft und Brennstoff vorgesehen