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Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung des Wärme- und
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Stoffaustausches in unmittelbarer Wandnähe von Wirbelschichtreaktoren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung des Wärme-,
Stoff- und Impulsaustausches in unmittelbarer Wandnähe in Wirbelschichtreaktoren,
in denen ein gekörnter Feststoff durch ein Fluid von unten angeströmt und dadurch
in eine intensive, aufgewirbelte Bewegung versetzt wird (Wirbelschicht).
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Die Verminderung des Wärme-, Stoff- und Impulsaustausches ist z. B.
bei chemischen Reaktoren oder Brennkammern häufig wünschenswert, um die Wärmeverluste
zu verringern oder auch die Wandungen eventuell gleichzeitig vor korrosiver und
erosiver Beanspruchung zu schützen.
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Infolge der intensiven Feststoffbewegung weisen Wirbelschichten z,
B. ein außerordentlich gutes Wärmeübertragungsvermögen adf. Die wirbelschichtseitigen
Wärmeübergangskoeffizienten sind beispielsweise etwa eine Größen-
ordnung
höher als bei Wärmetauschern, die nur von Gas beaufschlagt werden (M. Baerns, Chem.
Ing. Techn. 40 (1968) 737). Diese häufig durchaus erwünschte Eigenschaft kann in
manchen Anwendungsfällen oder in bestimmten Betriebsphasen zu ungewollt hohen Wärmeableitungen
über die Reaktorwandungen führen. Auch der Stoffaustausch wird in Wirbelschichten
durch die Aufwirbelung des Feststoffes stark begünstigt, so daß Vermischungen von
Feststoffen in Wirbelschichtreaktoren leicht durchgeführt werden können und zu sehr
homogenen Produkten führen.
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Um unerwünscht hohe Wärmeableitungen über die Wandungen und/oder korrosiven
und erosiven Angriff zu vermindern, sind keramische Auskleidungen, z. B. durch Ausstampfen
oder Ausmauern, üblich (Lueger, Lexikon der Technik, 4. Auflage (1965), Bd. 7, Seite
266, Stuttgart). Die Eigenart der Ausmauerung bedingt es jedoch, daß die Anzahl
der Wanddurchführungen wegen der erhöhten Störanfälligkeit der Auskleidung an diesen
Stellen so gering wie möglich gehalten wird. Bei Wirbelschichtreaktoren mit hoher
thermischer Belastung des Reaktionsraumes, wie z. B. Hochleistungsbrennkammern,
muß jedoch durch einen in die Schicht eintauchenden Wärmetauscher gekühlt werden,
um die Reaktionstemperatur regeln zu können. In diesem Fall ist eine Ausmauerung
der Wände wegen der vielen Durchführungen unzweckmäßig; man wendet dabei vielmehr
gekühlte Flossenrohrwände an, bei denen Durchführungen leicht herzustellen sind
und die eine ausreichende Festigkeit haben. Die erhöhte Wärmeableitung über die
gekühlten Wände muß bei dieser Konstruktion aber hingenommen werden (E. Wied,Dampferzeuger
mit Wirbelschichtfeuerung unter atmosph. und Uberdruckbedingungen, VGB-Kraftwerks-
technik
58 (1978),<8U 554). Insbesondere beim Aufheizen des Wirbelschichtreaktors wirkt
sich das dahingehend aus, daß unverhältnismäßig große Aufheizleistungen erforderlich
werden, die i. a. durch Fremdenergie aufgebracht werden müssen.
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Ein Ausstampfen des Reaktors mit einem wärmedämmenden Material bringt
nur eine vergleichsweise geringe Wirkung, da.
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durch die große Zahl der Befestigungsstifte die Wärmedurchgangszahl
der Wand nur geringfügig verkleinert wird. Zudem ist die Haltbarkeit der Ausstampfung
im Bereich der vielen Durchführungen, wie sie für Wärmetauscherbündel erforderlich
sind, sehr begrenzt, und Schäden lassen sich nur mit großem Aufwand beseitigen.
Das gilt auch, wenn eine Auskleidung nicht zur Wärmedämmung, sondern zum Schutz
vor korrosivem und erosivem Angriff angebracht werden muß (W. Gumz, Kurzes Handbuch
der Brennstoff- und Feuerungstechnik, 3. Auflage, Seiten 600 - 603, Berlin, Göttingen,
Heidelberg, 1962; Koppers Handbuch der Brennstofftechnik, 3. Auflage, Seite 363,
Essen).
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile
zu überwinden, ohne die günstigen Eigenschaften der Wirbelschicht wesentlich zu
verändern. Insbesondere sollten der Wärmedurchgang durch die Reaktorwandungen sowie
der Stoff- und Impulsaustausch in Wandnähe erheblich vermindert werden.
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Es hat sich gezeigt, daß sich diese Aufgabe gemäß vorliegender Erfindung
in überraschend einfacher und technisch
fortschrittlicher Weise
lösen läßt, wenn nämlich der Strömungswiderstand für das Fluid in Wandnähe soweit
erhöht wird, daß die Wirbelschicht in diesem Bereich nicht mehr aufgewirbelt wird.
Dieses kann verwirklicht werden, indem beispielsweise Einbauten in den Reaktionsapparat
eingebracht werden, die von den Reaktorwandungen abstehen. Diese Einbauten sind
erfindungsgemäß vorzugsweise rippenförmig mit einer bevorzugt horizontalen Erstreckung.
Um das Wirbeln in Wandnähe besonders sicher zu unterbinden, ist erfindungsgemäß
der Abstand der Rippen in Strömungsrichtung des Fluids höchstens etwa halb so groß
wie die Rippenhöhe quer dazu. Die Rippen können sowohl senkrecht von der Wand abstehen
als auch geneigt sein. Die Einbauten können aber erfindungsgemäß auch parallel zur
Reaktorwand angeordnet sein und mit dieser einen Spalt bilden, dessen Weite u. a.
von der gewünschten Dämmwirkung abhängt.
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Die erfindungsgemäßen Einbauten können gemäß einer Weiterbildung der
Erfindung segmentweise angebracht werden, was die thermischen Materialspannungen
mindert und die Montage und mögliche Lagerhaltung solcher Rippen vereinfacht und
ein Vorfertigen und auch nachträgliches Einbauen ermöglicht.
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Erfindungsgemäße Einbauten können an der Reaktorinnenwand durch Schweißen,
Schrauben, Kleben oder ähnliche Techniken befestigt werden. In jedem Fall bieten
sie den Vorteil einer gewissen Aussteifung der Reaktorwandung und es können deshalb
die Material abmessungen und/oder sonstigen Aussteifungen, wie sie vor allem bei
thermisch belasteten Reakto-
ren gebräuchlich sind, vermindert werden.
Soweit es sich bei den Einbauten um solche handelt, die parallel zur Reaktorwand
angeordnet sind und mit dieser einen Spalt bilden, kann es von Vorteil sein, diesen
z. B. eine Schuppenstruktur zu geben, um sie gegen Wärmeverzug zu stabilisieren.Letzteres
empfiehlt sich vor allem dann, wenn die fraglichen Einbauten etwa aus entsprechend
der Reaktorform gebogenen Blechstreifen bestehen.
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Es hat sich gezeigt, daß die Dämmwirkung der erfindungsgemäßen Einbauten
umso größer ist, je breiter die Spalten sind oder je weiter die Rippen in den Reaktorraum
hineinragen.
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Durch Einbauten dieser Art wird der Strömungswiderstand für das Fluid
in unmittelbaror Wandnähe so weitgehend erhöht, daß die Wirbelbewegung des Feststoffes,
durch die der gute Wärme- und Stoffaustausch in Wirbelschichten bewirkt wird, in
der Randzone zum Erliegen kommt. Dieses Ergebnis ist insofern überraschend, als
nichtrandnahe Einbauten, z. B.
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Wärmetauscherrohre, von der Wirbelschicht flüssigkeitsähnlich umspült
werden (Fluidization, J. F. Davidson, D. Harrison (eds.), London & New York
(1971), z. B. Kapitel i1).
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Von besonderem Vorteil ist bei dem beschriebenen Verfahren, daß für
den Schutz der Wandung bzw. zur Wärmedämmung des Wirbelschichtreaktors das Wirbelgut
selbst genutzt wird.
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Daher braucht kein aufwendiges Ausstampfen oder ähnliches zu erfolgen,
sondern beim Auffüllen des Reaktors mit Schichtmaterial und dem anschließenden Fluidisieren
bildet
sich selbsttätig die Schutzschicht in der Ruhezone aus. Zudem
fließt das Material aus der Ruhezone beim Ablassen der Reaktorfüllung, etwa beim
Stillsetzen des Apparates, mit ab und gibt die Wände z. B. für Inspektionen frei.
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Wenn der Strömungswiderstand in Wandnähe durch Einbauten erhöht wird,
sind insbesondere die parallel zur Wand angebrachten Einbauten geeignet, das Schichtmaterial
auch aus der Ruhezone vollständig mit abfließen zu lassen, während rippenförmige
Einbauten besonders gute Zugänglichkeit der Wände nach dem Ablassen des Schichtmaterials
gewähren und auch z. B. zwischen den Rohrreihen eines Wärmetauscherbündels ohne
Schwierigkeiten durchlaufen können. Durch Neigen etc. der Rippen lassen sich hier
besondere Effekte erreichen, z. B. vollständiges Ablaufen des Schichtinaterials
beim Entleeren des Reaktors oder auch umgekehrt ein Zurückhalten von besonders viel
Schichtmaterial an den Wänden auch nach dem Entleeren des Reaktors.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß man auf die Temperaturwechselbeständigkeit
von Ausmauerungen oder Ausstampfungen keine Rücksicht zu nehmen braucht, d. h. man
kann den Reaktor, ungeachtet seiner Schutzeinbauten, beliebig schnell aufheizen
oder abkühlen lassen.
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Da die randnahe Ruhezone nicht an der Wirbelbewegung teilnimmt, erfolgt
dort auch nur ein stark gehemmter Stoffaustausch mit der wirbelden Kernzone des
Reaktors. Das ist von Vorteil bei Reaktionen mit korrosionsfördernden Reaktionsteilnehmern,
um die Wandungen des Reaktors zu schüt-
zen, aber auch bei Reaktionen
mit starker Wärmetönung, da in der Ruhezone somit nicht nur die Wärmedurchgangszahl
verringert ist, sondern auch keine oder nur noch eine stark verminderte Reaktion
stattfindet. Weiterhin tritt eine eventuelle erosive Beanspruchung nur noch an den
leicht erneuerbaren Einbauten auf, während die eigentliche Reaktorwand durch die
Ruhezone geschützt wird.
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Anhand der Zeichnung wird eine Vorrichtung (vergrößerter Ausschnitt)
zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich beispielsweise näher erläutert.
Hierbei zeigt die Figur die Anordnung und verschiedene Formen der die Wirbelbewegung
unterbindenden Einbauten zur Erzielung einer Ruhezone in der Wandnähe des Reaktors.
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Gemäß der Figur - vergrößerter Ausschnitt eines gewöhnlichen Wirbelschichtreaktors
- ist letzterer mit Feststoff (Wirbelgut) 1 beschickt, der von unten mit dem durch
den Anströmboden 2 eintretenden Fluid (Gas oder Flüssigkeit) aufgewirbelt wird.
Die intensive Feststoffbewegung, die Ursache für den guten Stoff- und Wärmeaustausch
innerhalb der Schicht und von der Schicht auf die Wände ist, wird beispielsweise
durch Einbauten 6 bis 11 in unmittelbarer Wandnähe soweit herabgesetzt, daß keine
Wirbelbewegung mehr auftritt und infolgedessen Stoff- und Wärmeaustausch stark vermindert
werden. Wenn sich in der Schicht z. B. Wärmetauscherrohre 3 oder Meßwertgeber 4
oder ähnliches befinden, die durch die Reaktorwände geführt sind, so können die
die Wirbelbewegung hemmenden Einbauten 6 bis 10 z. B. vorteilhaft rippenförmig ausgebildet
sein. Dadurch können die
Durchführungen in die Zwischenräume zwischen
den Rippen verlegt werden, was zu einer besonders einfachen Konstruktion führt.
Die von der Wirbelschichtreaktorwand 5 abstehenden Einbauten können entweder gerade
6 oder geneigt 7, 8 sein, nach oben 9 oder nach unten 10 abgewinkelt oder auch parallel
11 zur Reaktorwand 5 angeordnet sein. Im letzteren Fall können sie beispielsweise
durch Abstand halter 12 gehalten werden, die so ausgeführt werden können, daß sie
zusätzlich die Feststoffbewegung behindern. Hierdurch entsteht ein Spalt 13 mit
der Reaktorinnenwand.
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Beispiel 1 In einem Wirbelschichtreaktormodell (Länge 400 mm, Breite
500 mm, Höhe 800 mm) wurde die Wirksamkeit der Erfindung in der nachfolgenden Weise
nachgewiesen: Als Einbauten wurden Rippen (gemäß Figur - Bezugszeichen 6 bis 10)
von ca. 80 mm Höhe und ca. 40 mm gegenseitigem Abstand gewählt, die im wesentlichen
senkrecht von der Reaktorinnenwand abstanden. Zwischen den Einbauten waren Rohre
durch die Wand geführt, wie in der Figur dargestellt; Wirbelgut war Sand. Die Einbauten
waren nur an einer Seite des rechteckigen Modellreaktors angebracht, dessen Wände
aus Plexiglas bestanden. Beim Aufwirbeln des Sandes zeigte sich deutlich, daß an
den Wänden ohne Einbauten intensive Feststoffbewegung auch um die durch die Wand
durchgeführten Rohre herum auftrat, im Bereich der erfindungsgemäßen Einbauten war
der Sand jedoch vollständig in Ruhe.
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Beispiel 2 In einer Wirbelschichtfeuerungsbrennkammer (Länge 400 mm,
Breite 800 mm, Wirbelschichthöhe 1.000 mm) mit einer zu Testzwecken gekühlten Seitenwand
(800 mm) wurden in orientierenden Versuchen verschiedene Einbauten vor der gekühlten
Fläche in einem Abstand von etwa 50 mm parallel zu ihr angebracht, welche die Aufwirbelung
verhindern und damit die Wärmeableitung über die gekühlte Wand verringern sollten.
Es zeigte sich , daß bei Aufheizversuchen mit kohlenstoffhaltigem Wirbel gut in
dieser Brennkammer unter sonst völlig gleichen Bedindungen nur etwa die halbe Zeit
zur Erreichung der Betriebstemperatur von ca. 8500C benötigt wurde, als beim Betrieb
dieser Brennkammer ohne die Einbauten. Aus diesem Ergebnis läßt sich schließen,
daß der Wärmeübergang auf die gekühlte Wand durch die'Verhinderung des Aufwirbelns
in Wandnähe um mehr als ca. 30 % vermindert wird.
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