DE2819996C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Reaktor zum Durch­ führen von exothermen Reaktionen, insbesondere Verbrennung zwischen schwe­ reren und leichteren Phasen in zirkulierender Wirbelschicht mit vertikalen Kühlflächen zur Aufnahme der bei der Reaktion gebil­ deten Reaktionswärme, bei welchem die leichtere Phase in eine Primärströmung zum Aufrechterhalten einer dichten, klassischen Teilwirbelschicht und eine Sekundärströmung zum Aufrechterhalten einer weniger dichten, schnellen Teilwirbelschicht oberhalb der dichten Wirbelschicht aufgeteilt wird, welche schnelle Teilwirbel­ schicht im Kreislauf zu der dichten Wirbelschicht zurückgeführt wird, um die zirkulierende Wirbelschicht zustandezubringen, und bei welchem eine feste Phase der zirkulierenden Wirbelschicht kontinuierlich zugeführt und entzogen wird und die Sekundär­ strömung der zirkulierenden Wirbelschicht im wesentlichen unter­ halb der Kühlflächen zugeführt wird gemäß den Ansprüchen 1 bis 9.

In letzter Zeit hat man ein Interesse an der Anwendung der Technik der zirkulierenden Wirbelschichten verzeichnen können. Gemäß dieser Technik wird eine verhältnismäßig schwerere, körnige, feste oder flüssige Phase unter Auf­ wärtsbeförderung in einem vertikalen Reaktor mittels einer verhältnismäßig leichteren, gasförmigen oder flüssigen Phase gewirbelt und die verhältnismäßig schwerere Phase oben im Reaktor von der leichteren Phase getrennt und auf den Boden des Reaktors zurückgeführt. Diese Technik ist im Vergleich zu dem klassischen Fließbett mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten verknüpft und ergibt infolge der guten radialen Vermischung der Phasen und der guten Turbulenz in einer solchen zirkulierenden Wirbelschicht eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die ganze zirkulierende Wirbelschicht.

Die Technik der zirkulierenden Wirbelschicht ist bisher in erster Linie zum Betreiben endothermer Reaktionen, z. B. Al-Kalzinierung, ausgenützt worden, bei welcher dem Reaktor zugeführter Brennstoff verbrannt und zur Beheizung der endothermen Reaktionen verwendet wird.

Bei Versuchen, exotherme Reaktionen in einer zirku­ lierenden Wirbelschicht zu betreiben, stößt man indessen auf Schwierigkeiten, weil die zum Ableiten der Reaktions­ wärme erforderlichen Kühlflächen im Reaktor eine gute Vermischung der dem Reaktor zugeführten Phasen behindern, wie sie für überwachungsbare Reaktionsbedingungen, z. B. Strömungs-, Last- und Temperaturverhältnisse, erforderlich ist.

In der DE-OS 25 39 546 ist ein Verfahren zur nahstöchiometrischen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Materialien in der Wirbel­ schicht mit Rückführung der Feststoffe in die Wirbelschicht und ein für das Verfahren eingesetzter Reaktor 1 mit unteren Zuführ­ gliedern 7 für die schwere Phase (Kohle) und Zuführgliedern 8 für die leichte Phase (Luft) beschrieben. Dieser bekannte Reaktor weist einen Abscheider 6, einen Rückführkanal 9 für die schwere Phase in den Bodenabschnitt des Wirbelschichtreaktors 1, einen Feststoffaustrag 10 für die schwere Phase und einen Austrag für die leichte Phase, nämlich die Leitung, die dort in Fig. 1 aus dem Abscheider 6 nach oben gerichtet ist, sowie Kühlflächen 3, 4 im Innern des Reaktors auf.

Durch die DE-OS 25 48 269 ist ein Verteiler zum Verteilen eines Strömungsmittels in einem von einem Fließbett aus fluidisierten Feststoffteilchen einzunehmenden Raum bekannt, wobei durch eine Anordnung von aufrecht stehenden Düsen 17 mit seitlich gerichteten Auslässen 18 zum Einbringen des Strömungsmittels in den vom Fließbett einzunehmenden Raum 13, wobei die Auslässe bestimmter Düsen innerhalb des Raumes in einer anderen Höhe angeordnet sind als die Auslässe anderer Düsen, im Betrieb des Verteilers das Bodenprofil 19 des Fließbetts im wesentlichen durch die Lage der Auslässe bestimmt ist. Gemäß dem dortigen Anspruch 14 sind die Anschlüsse 18 der Düsen 17 so ausgerichtet, daß sie das Strömungsmittel im wesentlichen waagerecht aus den Düsen abgeben. Bemerkenswert ist, daß die Aus­ laßöffnungen in ihrer Lage fixiert angeordnet sind, d. h. sie sind ein für allemal fest eingestellt.

In der GB-PS 13 39 287 ist in den Ansprüchen und Fig. 1 und 3 eine Apparatur zur Verbrennung von festen Brennstoffen in einem Wirbelbett beschrieben, in der Zuführ­ glieder für die leichtere Phase mit Austrittsöffnungen zu den Seitenwänden des Reaktors angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Reaktor zum Betreiben einer oder mehrerer exothermen Reaktionen zwischen schwereren und leichteren Phasen in einer zirkulierenden Wirbelschicht zu schaffen, welches Verfahren und welche Vorrichtung eine einfache Zufuhr der Phasen zum Reaktor, eine gleichmäßige Vermisch­ ung der Phasen im ganzen Reaktor trotz der im Reaktor angeordneten Kühlflächen und eine schnelle, bequeme Rege­ lung von Betriebsparametern, wie Temperatur, Last und Druck im Reaktor und Wärmeaufnahme in den Kühlflächen, ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Primärströmung der zirkulierenden Wirbelschicht, in mehrere Teilströmungen unter­ teilt, mit untereinander verschiedenen Geschwindigkeiten zu­ geführt wird, um die Vermischung der Phasen unterhalb der Kühl­ flächen zu fördern, daß die Einführung der Sekundärströmung im Innern der zirkulierenden Wirbelschicht erfolgt und daß die Sekundärströmung vor der Einführung in die zirkulierende Wir­ belschicht in mehrere Teilströmungen aufgeteilt wird, von denen zumindest einige Teilströmungen hauptsächlich horizontal von der Wirbelschicht auf die Seitenbegrenzungswände der Wirbel­ schicht zu gerichtet eingeführt werden.

Vorzugsweise werden somit hauptsächlich vertikale, in der Querrichtung des Reaktors im Abstand voneinander angebrachte Kühlflächen im Reaktor zur Aufnahme der Reaktions­ wärme von der exothermen Reaktion, z. B. der Verbrennung, angeordnet. Um eine gute, gleichförmige Vermischung der dem Reaktor zugeführten Phasen, d. . festen oder flüssigen Phasen und der Gasphasen, im ganzen Reaktor und über den horizontalen Querschnitt des Reaktors zu erzielen, wird erfindungs­ mäßig dafür gesorgt, daß die Phasen gleichförmig vermischt sind oder daß die Proportionen zwischen den Phasen gleichförmig sind, bevor die Phasen in ihrer Auf­ wärtsbewegung die Kühlflächen erreichen. Dies wird dadurch zustandegebracht, daß der untere Teil der vertikalen Kühl­ flächen im Bereich des verhältnismäßig dichten Bettes endigt, das bei zirkulierenden Wirbelschichten in dem Bodenabschnitt des Reaktors vorliegt, und daß die verhält­ nismäßig schwerere, aus in den Kreislauf zurückgeführten und neu zugeführten Teilen bestehende Phase in dieses verhältnismäßig dichte Bett eingeführt wird und in diesem verhältnismäßig dichten Bett mit verhältnismäßig leichte­ rer Phase umgerührt wird. In dieser Weise werden die Reaktorräume zwischen den vertikalen Kühlflächen mit unter­ einander gleichförmigen Phasengemischen versorgt.

Die Wärmeübertragung an die Kühlflächen in einer zirkulie­ renden Wirbelschicht ist bekanntlich außer von den Strö­ mungsgeschwindigkeiten der verhältnismäßig schwereren und verhältnismäßig leichteren Phasen auch von dem Kreislauf der verhältnismäßig schwereren Phase oder von der durch­ schnittlichen Dichte des Phasengemisches in der Nähe der Kühlflächen sowie von der Korngröße des Gutes abhängig. Dies bedeutet, daß bei konstanter Temperatur im Reaktor eine veränderliche Wärmeübertragung an die Kühlflächen erzielt werden kann, indem der Gutkreislauf und dabei besonders der leichtere feinkörnige Anteil der schwereren Phase, den der Gasstrom verhältnismäßig leicht transpor­ tiert, geändert wird.

Gemäß der Erfindung wird der Gutkreislauf im Reaktor dadurch geändert, daß die für die Reaktion erforderliche Gasströmung in eine Primärströmung und eine Sekundärströ­ mung aufgeteilt wird und daß diese Strömungen so zur Ein­ wirkung auf das Wirbelbett gebracht werden, daß ein größerer oder kleinerer Teil des verhältnismäßig dichten Wirbelbettes aufwärts im Reaktor getrieben und in das dichte Bett zurückgeführt wird. Hierbei wird die Sekundär­ strömung in den Reaktor an Stellen innerhalb desselben eingeblasen, die oberhalb der Einblasstelle oder -stel­ len der Primärströmung, jedoch im Bereich des verhältnis­ mäßig dichten Bettes liegen. Durch Veränderung des Ver­ hältnisses zwischen der Primärströmung und der Sekundär­ strömung und die Art des Einblasens werden die Höhe und der Gutinhalt des dichten Bettes und dadurch der Gut­ kreislauf geändert.

Die Sekundärströmung-Einblasestellen sind vorteilhaft in Höhenrichtung einstellbar, so daß die Sekundärströ­ mung auf das verhältnismäßig dichte Bett an verschiedenen Niveaus der Betthöhe einwirken kann. Bei konstanter Summe der Primärströmung und der Sekundärströmung kann auf diese Weise der Gutkreislauf im Reaktor und die Wärmeauf­ nahme in den Kühlflächen verändert werden.

Es leuchtet ein, daß diese Einblaseanordnung auch eine Änderung des Druckabfalles über den Reaktor gestat­ tet. Dieser Druckabfall ist aus dem Druckabfall über das verhältnismäßig dichte Bett und dem über den Rest der Reaktorhöhe zusammengesetzt. Es leuchtet gleichfalls ein, daß der Druckabfall eine technisch wichtige Frage ist, da der Leistungsverbrauch zum Treiben der leichteren Phase durch den Reaktor größtenteils vom Inhalt des Reaktors an der schwereren gewirbelten Phase bestimmt ist und daß es somit vorteilhaft ist, die Dicke des verhält­ nismäßig dichten Bettes so gering wie möglich zu halten, was die Erfindung gestattet. Die Erfindung gestattet fer­ ner, daß das Verhältnis zwischen der Primär- und Sekun­ därgasströmung so gesteuert wird, daß der Fein- und Grobanteil in der zugeführten schwereren Phase im gewis­ sen Grade getrennt werden, indem die Primärgasströmung so niedrig gehalten wird, daß das grobe Gut hauptsächlich im Bodenabschnitt des Reaktors verbleibt. Ein hierdurch ge­ wonnener Vorteil besteht darin, daß wenn hauptsächlich feines Gut im Umlauf geführt wird, sowohl eine gute Wär­ meübertragung als auch eine geringere relative Erosion an den normalerweise aus Metall ausgebildeten Kühlflächen im oberen Teil des Bettes gehalten wird.

Falls man eine Zufuhr der verschiedenen Phasen von der Unterseite des Reaktors her bevorzugt und einen oder mehre­ re Phasen-Separatoren oben im Reaktor von dem in der DE-OS 27 53 173 beschriebenen Typ anordnet, können beliebig viele gesondert antreibbare und steuerbare Reaktoren dicht nebeneinander angeordnet wer­ den. Solche Aggregate von Reaktoren lassen sich mit Vor­ teil zur Dampferzeugung und/oder Dampfüberhitzung in den vertikalen Kühlflächen benützen.

Weitere Erfindungsmerkmale ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich auf eine Verbrennungsreaktion zwischen festem Brennstoff und Luft zum Erhitzen von Prozeßmedien, z. B. Wasser für bei­ spielsweise Dampferzeugung, bezieht, ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden an Hand der schematischen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Reaktor des der Anmeldung zugrundeliegenden Typs,

Fig. 2 in der Perspektive einen Windkasten für Sekun­ därluft mit eingeschalteter vertikaler Kühlfläche, die aus Röhren zusammengesetzt ist,

Fig. 3 im Schnitt zwei nebeneinander angeordnete Windkästen von dem einen Ende der Fig. 1 gesehen und mit eingeschalteten Kühlflächen, die aus Röhren zusammenge­ setzt sind,

Fig. 4 erläutert die erfindungsgemäße Ausbildung der Zufuhrglieder für die leichtere Phase.

Feinverteilter, z. B. durch Druckluft geförderter Brenn­ stoff, z. B. Kohle, mit etwaigen Zusätzen für z. B. Schwe­ felabsorption, wie Kalk, und von einem üblichen Kohle­ brecher oder -mühle kommend, wird dem Bodenabschnitt des Reaktors 1 durch eine oder mehrere durch den Boden 2 des Reaktors sich erstreckende Leitungen 3 zugeführt, die in ihrem oberen Teil Seitenaustritte 4 aufweisen, so daß der Brennstoff und die etwaigen Zusätze im wesentlichen horizontal in den Reaktor eingeblasen werden. Der einge­ blasene Brennstoff wird von durch den Boden des Reaktors eingeblasener Primärluft angeströmt, die einem Verbren­ nungs- und Fluidisationszweck dient, und wird im Reaktor zu einem Separator 5 hochbefördert, der die Gasphase, d. h. Luft und Verbrennungsgase, von Feststoff, d. h. verbranntem und unverbranntem Brennstoff und Brennstoffzusätzen, tre­ nen soll und der vorzugsweise von dem in der DE-OS 27 53 173 beschriebenen Typ ist.

Ein solcher Separator, der aus Leitschaufeln besteht, weist den Vorteil auf, daß er zum Unterschied von bekann­ ten Zyklonenanordnungen in seiner Gesamtheit im Reaktor eingebaut ist. Abgetrennter Feststoff wird in den Boden­ abschnitt des Reaktors durch eine Rücklaufleitung 6 zu­ rückgeführt. In dem unteren Teil hat der Reaktor einen Austritt für Feststoff, hauptsächlich verbrannten Brenn­ stoff. In bekannter Weise wird hierbei am Boden des Reak­ tors ein im Vergleich zum oberen Teil des Reaktors ver­ hältnismäßig dichter Wirbelbettabschnitt aufrechter­ halten. Es sei hier bemerkt, daß die genannten seit­ lich gerichteten Brennstoffaustritte 4 erfindungsmäßig in dem verhältnismäßig dichten Wirbelbettabschnitt lie­ gen sollen, so daß der dem Reaktor zugeführte Brennstoff mit der Primärluft in dem dichten Bett über den ganzen Reaktorquerschnitt in diesem Reaktorabschnitt innig und gleichförmig vermischt wird. Die Primärluft wird vorzugs­ weise durch gesonderte Windkästen 7 a, 7 b, 7 c mit für sich veränderlichen Primärluftteilströmungen eingeblasen, wo­ durch ein in der Querrichtung des Reaktors erfolgender Transport, welcher eventuell zu einem Umlauf des Gutes im Bodenabschnitt verstärkt ist, und eine besonders gute und schnelle Vermischung des Bettinhalts in dem genannten Querschnitt des Bettabschnittes erhalten wird. Zweckmäs­ sigerweise wird darüber hinaus der Reaktorboden etwas schräggestellt, was gleichfalls die vertikale Vermischung fördert.

Vertikale Kühlflächen 8 sind oberhalb des verhältnis­ mäßig dichten Bettes oder darin etwas versenkt angeord­ net, damit die Verbrennungswärme aufgenommen wird. Die Kühlflächen bestehen in dem jetzt beschriebenen Beispiel aus Röhren mit darin enthaltenem Medium, z. B. Wasser oder Wasserdampf, und verlaufen nach oben hauptsächlich bis an den Separator 5 heran. Die z. B. U-förmig gebogenen Röhren sind z. B. in der veranschaulichten Weise zu Wänden ausgebildet, verlaufen quer über den Reaktor zwischen den Rücklaufleitungen 6 und können auf die in der Dampfkes­ seltechnik übliche Weise außerdem zu dichten Wänden ver­ schweißt sein. Sammelkästen und Ein- und Austritte für Dampf und Wasser sind in der Figur nicht gezeigt. In Fig. 1 ist nur eine solche vertikale Kühlfläche 8 dargestellt, wobei vorausgesetzt ist, daß mehrere solche Kühlflächen hinter und vor der dargestellten Fläche in Abständen un­ tereinander angeordnet sind. Die Aufhängung der Kühl­ flächen kann gemäß irgendeiner von der Dampfkesseltech­ nik her bekannten Methode erfolgen.

Im Bereich des oberen Teils des verhältnismäßig dich­ ten Wirbelbettes sind Windkästen 9 für eine Sekundärluft­ strömung vorgesehen. Diese Sekundärluftströmung stellt den Rest der für die gewünschte Verbrennung erforderlichen Luftströmung über die Primärluftströmung hinaus dar. Die Windkästen 9 sind hintereinander ähnlich wie die Kühl­ flächen 8 angeordnet und weisen gleichmäßig verteilte Luftaustrittsöffnungen 10, 11 in einer oder einigen ihrer Begrenzungswände auf. Vorteilhaft sind Luftaustrittsöff­ nungen 10, 11 sowohl in den oberen Begrenzungswänden der Kästen als auch in den Bodenwänden der Kästen vorgesehen, wobei die Bodenöffnungen vorzugsweise in der Art angeord­ net sind, daß sie eine schräg nach unten gerichtete Luft­ strömung ergeben, wodurch die durch diese Öffnungen ge­ blasene Sekundärluft die innige Vermischung des Feststof­ fes, d. h. neu zugeführten Brennstoffes und zurückgeführ­ ten Feststoffes, und der Luft in der radialen Richtung des Reaktors in dem verhältnismäßig dichten Wirbelbett noch weiter verstärkt. Den Windkästen 9 wird Sekundärluft durch Zuleitungen 12 zugeführt, die sich durch den Boden 2 des Reaktors erstrecken, jedoch auch durch die Seiten­ wand des Reaktors verlaufen können.

Die untere Partie jeder Kühlfläche ist vorteilhaft zu wenigstens einem Teil in je einen Windkasten 9 für Se­ kundärluft eingesetzt. Hierdurch erreicht man den Vorteil, daß die untere Partie dieser Kühlflächen vor Abnutzung durch die aggressiven Feststoffteilchen geschützt ist. In Fig. 2 ist eine Anordnung für einen solchen Einbau von eine vertikale Wand bildenden U-förmigen Kühlröhren in einen Windkasten 9 gezeigt. In Fig. 3 sind zwei Windkä­ sten 9 mit je einer vertikalen, aus U-Röhren zusammenge­ setzten Kühlfläche und mit oberen Sekundärluftaustritts­ öffnungen 11 gezeigt.

Mit den oben beschriebenen Vorkehrungen wird die Wär­ meaufnahme in den Kühlflächen 8 durch Änderung des Ver­ hältnisses zwischen der Primärluftströmung und der Se­ kundärluftströmung verändert. Wird beispielsweise die Primärluftströmung im Verhältnis zur Sekundärluftströmung bei sich konstant abspielender Brennstoffzufuhr erhöht, weitet sich das verhältnismäßig dichte Wirbelbett in Höhenrichtung aus und wird eine größere Menge Brennstoff aufgefangen und von der durch die oberen Öffnungen der Windkästen eingeblasenen Sekundärluft innen im Reaktor in Kreislauf geführt. Im oberen Teil des Reaktors, zwischen den Kühlflächen, erhält man somit eine größere Gutbela­ stung und demzufolge eine erhöhte Wärmeaufnahme in den Kühlflächen, und gleichzeitig wird mit konstanter Gesamt­ strömung von Primär- und Sekundärluft eine gewünschte gleichmäßige Reaktor- oder Verbrennungstemperatur auf­ rechterhalten.

Eine andere Anordnung zum Einblasen von Sekundärluft ist in Fig. 4 gezeigt. Die Sekundärluft wird dem vertika­ len Reaktor mittels mehrerer durch den Boden des Reaktors im wesentlichen vertikal sich erstreckenden und in ihrer Längsachsenrichtung verschiebbaren Röhren oder Kanälen 13 zugeführt, die in ihrer Mantelfläche übereinander ange­ ordnete Öffnungen 14 für die Sekundärlufteinblasung in das verhältnismäßig dichte Wirbelbett im Reaktor auf­ weisen. Durch Verschiebung dieser Röhren nach oben oder unten mittels nicht gezeigter Glieder fängt die Sekundär­ luft den Feststoff in dem verhältnismäßig dichten Bett in größerer Höhe bzw. größerer Tiefe der Betthöhe auf und fördert dadurch eine kleinere oder größere Menge Feststoff nach oben und ringsherum im Reaktor. Auf diese Weise wird somit die Gutbelastung im oberen Teil des Reaktors, d. h. in den Räumen zwischen den Kühlflächen, und somit die Wärmeaufnahme in den Kühlflächen verändert.

Alternativ können die Röhren oder die Kanäle 13 unbe­ weglich angeordnet sein und inwendig bewegliche Schieber oder irgendwelche andere Vorkehrung aufweisen, z. B. ein teleskopisch eingeführtes zweites Rohr zur Freilegung eines größeren oder kleineren Teils der übereinander angeordneten Öffnungen 14.

Selbstverständlich können die verschiedenen beschrie­ benen Arten der Sekundärlufteinblasung miteinander kombi­ niert werden.

Die unter Hinweis auf Fig. 4 beschriebene Vorkehrung ist von besonderem Vorteil, indem die durch den Boden des Reaktors zugeführte Primärluftströmung ziemlich konstant und derart bemessen gehalten werden kann, daß der Haupt­ teil der größten Teilchen des Feststoffes, die die größ­ te Gefahr einer Erosion der Kühlflächen mit sich ziehen, in dem Bodenabschnitt des Reaktors zurückbehalten werden kann, um dort ganz auszubrennen oder zu feineren Teilchen reduziert zu werden, während die verhältnismäßig feinen Feststoffteilchen mittels der Sekundärströmung im Reaktor in Umlauf geführt werden, so daß die Abtrennung des Feststoffes nach Korngrößenklasse beim Umlauf des Gutes im Reaktor erfolgt. Diese Einblaseweise ergibt die best denkbaren Möglichkeiten, einerseits eine innige Vermischung zu erreichen und andererseits das Volumen und die Höhe des im Bodenabschnitt des Reaktors befindlichen dichten Wirbelbettes zu vermindern, um dadurch den gesamten Druck­ abfall im Reaktor und den Leistungsverbrauch für den Um­ lauf des Feststoffes zu reduzieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungs­ mäßige Reaktor eröffnen neue Möglichkeiten zu einer ein­ fachen Überwachung und zu einer einfach und schnell aus­ führbaren Regelung des Betriebes der gemäß der Erfindung durchgeführten exothermen Reaktionen. Im folgenden Beschreibungsabschnitt wird als typische exotherme Reak­ tion eine Verbrennungsreaktion zwischen Brennstoff, wie Kohle oder Öl, und Luft in einer Verbrennungsvorrichtung oder einem Reaktor des beschriebenen Typs gewählt, wobei vorausgesetzt ist, daß diese Wahl nicht die Erfindung be­ schränkt, sondern auf andere exotherme Reaktionen zwischen leichteren gasförmigen oder flüssigen Medien und schwere­ ren festen oder flüssigen Medien anwendbar ist.

Es ist bereits bekannt, und es leuchtet auch ein, daß die Menge des einer Verbrennungsvorrichtung zugeführten Brennstoffes der gesamten Wärmeaufnahme oder Leistung angepaßt werden muß, die die Vorrichtung oder der Reak­ tor abgeben soll. Es ist gleichfalls wohlbekannt, daß die gesamte, zugeführte Luftströmung gemäß dem Bedarf des Brennstoffes bei der exothermen Verbrennungsreaktion gesteuert werden muß und daß außerdem meistens ein geringerer Luftüberschuß zugeführt werden muß, um einen gut ausgebrannten Brennstoff und Rauchgase mit niedrigem Gehalt an unverbrannten Bestandteilen zu ergeben.

Zum Durchführen einer technisch und wirtschaftlich annehmbaren Verbrennung unter Anwendung der erfindungs­ gemäßen Wirbelschichttechnik muß einer Anzahl von wei­ teren Gesichtspunkten Rechnung getragen werden. Erstens ist es erwünscht, daß gleichzeitig mit der Verbrennungs­ reaktion luftverunreinigende Substanzen, die von dem Brennstoff zur Verbrennungsvorrichtung mitgerissen oder die während der Verbrennung gebildet werden, z. B. schwe­ felenthaltende Stoffe wie SO₂ und SO₃, gebunden oder auf­ gefangen werden können. Schwefel kann von Kalk absorbiert werden, welcher der Verbrennungsvorrichtung zusammen mit dem Brennstoff oder gesondert zugeführt werden kann. Für eine wirksame Schwefelabsorption muß die Temperatur in der Verbrennungsvorrichtung innerhalb einer für die Schwefelabsorption günstigsten engen Temperaturspanne gehalten werden.

Es ist weiterhin erwünscht, daß der gesamte Gutinhalt des Reaktors derart abgewägt wird, daß mit dem Brennstoff zugeführte, nicht brennbare Stoffe und Absorptionsmittel einem gleichgroßen Austrag von Feststoff aus dem Reaktor entsprechen und daß der richtige Gutinhalt im Reaktor vorliegt. Dies läßt sich bei einem zirkulierenden Wir­ belschichtreaktor besonders schwer erfüllen, da dieser Typ von Reaktor keine definierte Oberfläche der Wirbelschicht hat, was bei üblichen festen Wirbelbetten der Fall ist, wo ein Überschuß an Feststoff leicht in einen Bunker über z. B. einen Überlauf ausgetragen wird.

Den oben erwähnten Wünschen kann dadurch leicht Rech­ nung getragen werden, daß unter Anwendung der früher beschriebenen Technik der Gutkreislauf durch geeignete Luftzufuhr zum Reaktor und geeignete Verteilung der dem Reaktor zugeführten Luft gesteuert wird und daß ein nachstehend beschriebenes, bei zirkulierenden Wirbelschich­ ten neues Prinzip zum Messen des Gutinhalts des Reaktors eingeführt wird. Darüber hinaus ergibt dieses Prinzip neue Kombinationsmöglichkeiten mit im übrigen für sich bekannten Prinzipien, so daß eine vollautomatische Steuerung des Reaktors erzielt werden kann.

Ausgehend von den obigen Darlegungen läßt es sich feststellen, daß die gewünschte Leistungsabgabe der Ver­ brennungsvorrichtung mit einer dieser Leistungsabgabe an­ gepaßten Brennstoff- und Luftzufuhr zur Verbrennungs­ vorrichtung erreicht werden kann, wobei die Luftzufuhr in der aus der Dampfkesseltechnik bekannten Weise von der Brenn­ stoffzufuhr gesteuert werden kann. Der Wunsch, die Tempe­ ratur genau zu steuern, kann durch Messen der Temperatur und z. B. des Temperaturgradienten in der Verbrennungsvor­ richtung auch durch Einstellung der früher beschriebenen Luftverteilung befriedigt werden. Damit die letztere Steuerung in richtiger Weise funktioniert, ist jedoch erforderlich, daß eine mit Rücksicht auf die Korngrößen­ verteilung und andere Eigenschaften des Feststoffes in der Verbrennungsvorrichtung richtige Gesamtmenge Fest­ stoff in der Verbrennungsvorrichtung vorhanden ist. Dies ist wichtig, da die Korngröße und andere Eigenschaften des der Verbrennungsvorrichtung zugeführten Feststoffes infolge von Qualitätsabweichungen variieren können. Fer­ ner kann ein Austausch von Brennstoffart, z. B. Öl anstelle von Kohle, aktuell sein. Es ist damit zu rechnen, daß diese Abweichungen kräftige Änderungen in der Reaktor­ funktion ergeben. Es leuchtet in diesem Zusammenhang ein, einerseits daß es praktisch schwierig ist, den Gutinhalt direkt zu messen - z. B. durch Wägen des Reaktors im Be­ trieb - und andererseits daß z. B. eine Druckabfallmessung, die über die Stoffmenge im Reaktor indirekt Bescheid gibt, nicht die ganze gewünschte Information erfaßt.

Das entwickelte neue Prinzip besteht darin, daß die direkte Wärmeaufnahme - wie Wärmeströmung - pro Flächen­ einheit Kühlfläche an einem oder mehreren Punkten der Kühlfläche über die Höhe des Reaktors mit irgendeinem be­ kannten Wärmeströmungsmesser gemessen wird. Die Messung gibt eine Auskunft, die für jeden Betriebszustand in einer gesetzmäßigen Weise auf die totale Funktion des Reaktors und die übrigen gemessenen Parameter bezogen und besonders dazu verwendet werden kann, um den Austrag von Festgut aus dem Reaktor zu steuern, welcher für einen Ausgleich des zugeführten Gutes notwendig ist.

Es leuchtet ein, daß das genannte Prinzip zusammen mit dem früher erwähnten Prinzip der Temperatursteuerung eine sehr gute Möglichkeit zur Automatisierung des Reak­ torsystems ergibt, welche beispielsweise auf Datenverar­ beitung sowohl in einer Datenverarbeitungsanlage als auch über normalerweise fest gekoppelte Steuerkreise gegründet werden kann. Nebst der Laststeuerung über Brennstoffzu­ fuhr und den beschriebenen Methoden zur Luftverteilung erhält man eine in jeder Hinsicht einzig darstehende Möglichkeit zu einer schnellen und folgsamen Steuerung von niedriger bis hoher Last ohne irgendeine größere Änderung des Reaktor-Gesamtinhalts an zirkulierendem Festgut.

Claims (9)

1. Verfahren zum Durchführen von exothermen Reaktionen, insbesondere Ver­ brennung zwischen schwereren und leichteren Phasen in zirkulie­ render Wirbelschicht mit vertikalen Kühlflächen zur Aufnahme der bei der Reaktion gebildeten Reaktionswärme, bei welchem die leichtere Phase in eine Primärströmung zum Aufrechterhalten einer dichten, klassischen Teilwirbelschicht und eine Sekundär­ strömung zum Aufrechterhalten einer weniger dichten, schnellen Teilwirbelschicht oberhalb der dichten Wirbelschicht aufgeteilt wird, welche schnelle Teilwirbelschicht im Kreislauf zu der dichten Wirbelschicht zurückgeführt wird, um die zirkulierende Wirbelschicht zustandezubringen, und bei welchem eine feste Phase der zirkulierenden Wirbelschicht kontinuierlich zugeführt und entzogen wird und die Sekundärströmung der zirkulierenden Wirbelschicht im wesentlichen unterhalb der Kühlflächen zuge­ führt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärströmung der zirkulierenden Wirbelschicht, in mehrere Teilströmungen unter­ teilt, mit untereinander verschiedenen Geschwindigkeiten zu­ geführt wird, um die Vermischung der Phasen unterhalb der Kühl­ flächen zu fördern, daß die Einführung der Sekundärströmung im Innern der zirkulierenden Wirbelschicht erfolgt und daß die Sekundärströmung vor der Einführung in die zirkulierende Wir­ belschicht in mehrere Teilströmungen aufgeteilt wird, von denen zumindest einige Teilströmungen hauptsächlich horizontal von der Wirbelschicht auf die Seitenbegrenzungswände der Wirbel­ schicht zu gerichtet eingeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gegenseitige Verhältnis der Primär- und Sekundärströmung variiert wird, um die Phasenbelastung in der Wirbelschicht und damit die Wärmeaufnahme in den Kühlflächen zu regeln.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Re­ gelung der Höhe der dichten Wirbelschicht das Niveau der Sekundärströmung-Einblasestellen in Höhenrichtung so einge­ stellt wird, daß die Sekundärströmung auf das verhältnismäßig dichte Bett an verschiedenen Niveaus der Betthöhe einwirken kann.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Bestimmung des Inhalts der Wirbelschicht an schwe­ rerer Phase die Wärmeströmung durch die Kühlflächen an im Ab­ stand untereinander gelegenen Stellen längs der Kühlflächen ge­ messen wird, und daß diese Messung zur Steuerung des Austrags von schwerer Phase aus der Wirbelschicht benützt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß als Teil der schwereren Phase Kohle oder Öl und als Teil der leichteren Phase Luft gewählt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Teil der schwereren Phase ein Absorptionsmittel für schwefelenthal­ tende Gase gewählt wird.

7. Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit unteren Zuführgliedern für schwerere Phase und Zuführgliedern für leichtere Wirbelphase, oberen Trennorganen zum Trennen der genannten Phasen voneinander, Rückführkanälen für gesonderte schwerere Phase in den Bodenabschnitt des Reaktors oder in ein Gebiet gleich oberhalb dieses Bodenabschnittes, Mitteln zum Austragen der schwereren und der leichteren Phase aus dem Re­ aktor sowie im Innern des Reaktors angebrachten Kühlflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführglieder für die leichtere Phase durch den Boden des Reaktors sich erstreckende, in ihrer Längsrichtung verschiebbare Röhren oder Kanäle (13) umfassen, die in ihrer Mantelwand im Reaktorinnern Austrittsöffnungen (14) für die leichtere Phase aufweisen.

8. Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu­ führglieder für die leichtere Phase durch den Boden des Reaktors sich erstreckende Röhren oder Kanäle (13) umfassen, die in ihrer Mantelwand im Reaktorinnern übereinander angeordnete, ge­ sondert verschließbare Öffnungen aufweisen.

9. Reaktor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführglieder für die leichtere Phase im Innern des Reaktors angeordnete Windkästen (9) umfassen, in denen die unteren Teile der Kühlflächen eingeführt sind oder über denen die Kühlflächen in der Art angeordnet sind, daß die unteren Teile der Kühl­ flächen vor einer direkten Anströmung des Gemisches von leich­ terer und schwererer Phase durch die Windkästen geschützt wer­ den.