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Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung
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von Brennstoffen Die Erfindung bezieht sich auf die Vervollkommnung
eines Verfahrens zur Verbrennung von Brennstoffen zwecks Erhitzung von Arbeitsmedien
sowie auf Vorrichtungen für seine Durchführung.
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Die Erfindung kann auf beliebigen Gebieten der Technik eingesetzt
werden, wo Energie verbraucht wird, die sich bei der Verbrennung von Brennstoff
entwickelt.
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Die Verbrennung organischer Brennstoffe stellt den Basisprozeß der
modernen Technik dar. Durch die sich während dieses Prozesses entwickelnde Energie
wird der größte Teil des Bedarfs an Wärme, Elektroenergie und mechanischer Arbeit
gedeckt. Die überwiegende Mehrzahl von technologischen Prozessen in der Industrie,
der Landwirtschaft, im Bau-und im Transportwesen wird mit Energie versorgt, die
sich bei Verbrennung von Brennstoffen entwickelt. Bittere Erfahrungen des letzten
Jahrzehntes sind allen gut bekannt:
wenn Brennstoff teuerer wird,
wird alles teuerer. Dieser Umstand sowie die Bschränktheit der Lagerstätten organischer
Brennstoffe, die aus dem Erdinneren in rationellen Verfahren gefördert werden können,
stellen der Menschheit eines der akutesten globalen Probleme: die Suche nach alternativen
Varianten der heutigen technischen Entwicklung, wenn sich der Verbrauch von Brennstoffen
in der Welt alle 12 - 15 Jahre verdoppelt. Neben der Entwicklung qualitativ neuer
Energiequellen (atomaren und thermonuklearen) ist heute aktuell und bleibt offensichtlich
noch längere Zeit das erstrangige Problem bestehen, die Energie organischer Brennstoffe
optimal zu nutzen.
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Allgemein bekannt ist, daß sämtliche Arten von Brennstoffen hauptsächlich
in Flammenöfen verbrannt werden. Dieses Verfahren ist ausreichend effektiv, und
deswegen ist es sowohl in der Wärmeenergieversorgung als auch in verschiedenen technologischen
Prozessen, wie der Erdölverarbeitung und dem Glasschmelzen, umfassend verbreitet.
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Der Flammenverbrennung haften jedoch ernsthafte Mängel an.
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Gasförmige und flüssige Brennstoffe verbrennen in Flammenöfen bei
einer Temperatur von 1470 - 1870 K. Dabei entstehen heiße Verbrennungsgase, die
ihre Wärme. einem Arbeitsmedium oder einem Wärmeträger oder einem Stoff abgeben,
der bearbeitet wird. Es ist jedoch nicht immer eine Temperatur erforderlich, die
Tausend Grad übersteigt, um Verbrennungsgase mit mäßiger Temperatur zu bekommen,
doch dafür muß man Brennstoffe mit einem großen Überschuß an Luft (d, von 1,2 bis
4) verbrennen oder das Heißgas mit kalter Luft verdünnen. Außerdem geht Wärme auch
in einer
Verbrennungskammer, in einem Wärmeaustauscherund in einem
Ekonomiser verloren. Hierdurch beträgt der Ausnutzungskoeffizient von Brennstoff
durchschnittlich in allen Wirtschaftszweigen nur 0,3 - 0,4.
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Der zweite schwerwiegende Nachteil der Verbrennung von Brennstoff
in Flammenöfen besteht in der Bildung von für die Umwelt schädlichen Stoffen: Kohlenmonoxid
und Stickstoffoxiden bei einer Temperatur über 1270 K.
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Bekannt ist auch ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff in einer
Wirbelschicht inerter Teilchen bei 1100 -1300 K (siehe beispielsweise "Ausgewählte
Werke der Konferenz für Wirbelschichtverfahren" von I. F. Davidson und D. L. Keairns
"Neuentwicklungen in in der Theorie und Praxis des Wirbelschichtverfahrens", M.
"Mir", 1980). Diese Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff weisen eine Reihe von
Vorteilen gegenüber den Flammenöfen auf, es gelingt jedoch mit ihrer Hilfe nicht,
die Fragen der Erhöhung des Wirkungsgrades von Kesselanlagen entscheidend zu lösen
und die Ausscheidung giftiger Komponenten auszuschließen.
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Es scheint offensichtlich, daß die Erhöhung des Wirkungsgrades der
Wärme, die sich bei Verbrennung des jeweiligen Brennstoffs entwickelt, mit der Minimierung
der Verluste an Wärme mit den Abgasen zusammenhängt. Es ist ebenfalls offensichtlich,
daß minimale Verluste an Wärme mit den Abgasen bei Verbrennung stöchiometrischer
Brennstoff-Luft-Gemische, die keinen Überschuß an irgendwelcher Komponente aufweisen,
sowie bei Senkung der Temperatur der Abgase auf ein möglichst niedriges Niveau zu
beobachten sind.
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Nachstehend werden die berechneten Größen des Ausnutzungskoeffizienten
der Wärme (t ) bei vorgecebener Temperatur der Abgase (570 K) und dem sich verändernden
Verhältnis Luft: Brennstoff (), sowie bei konstantem X = 1 und sich verändernder
Temperatur der Abgase aufgeführt, Q 1,0 87,9 1,1 86,9 1,3 84,8
| α = 1 T 370 470 570 670 770 870 970 1070 1 70 K |
| # 96,1 92,1 87,9 83,7 79,2 74,6 69,9 64,9 60,2 |
| α = 1 T 1270 1370 1470 1570 1670 1770 1870 K |
| tt 55,4 50,3 45,4 39,9 34,6 29,4 23,0 |
Wie aus den oben aufgeführten Angaben hervorgeht, kann ein hoher Wärmeausnutzungskoeffizient
nur bei Erfüllung von zwei Bedingungen erreicht werden: 1) bei Verbrennung eines
stöchiometrischen Brennstoff-Luft-Gemisches und 2) bei Senkung der Temperatur der
Abgase auf ein möglichst niedriges Niveau, beispielsweise auf 470 K.
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Die Bedingen der Verbrennung von Brennstoffen in einer Wirbelschicht
fester inerter Teilchen entsprechen diesen Anforderungen nicht, da die Temperatur
der Gase am Austritt aus der Wirbelschicht hoch (> 1100 }\) ist. Eine wesentliche
Senkung dieser Temperatur (unter 900 K) ist auch wegen der in der Schicht entstehenden
Produkte der unvollständigen Verbrennung von Brennstoff (bis 8 % Kohlenmonoxid)
nicht möglich, die außerhalb der Schicht endgültig zu verbrennen
sind.
Dadurch entsteht auch die Notwendigkeit, einen relativ hohen Koeffizient des Luftüberschusses
zu (1,1) zu unterhalten.
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Unbefriedigend wird in diesem Fall auch die Aufgabe der Senkung der
giftigen Gasbestandteile gelöst. Der Gehalt an Stickstoffoxiden in Gasen, der durch
die Temperatur der Verbrennung von Brennstoff in Höhe von 1250 - 1370 K 3 bedingt
ist, beträgt 40 - 300 mg/m N02, was die zulässigen Normen erheblich übertrifft.
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Das erfindungsgemäße Verfahren geht von einem Verfahren zur Verbrennung
von Brennstoff zwecks Verdampfung von Flüssigkeit im inneren Raum einer Wärmeaustauscherrohrschlange
aus, die in eine Wirbelschicht aus Teilchen eines dispersen Materials getaucht wird,
das einen Katalysator für die Oxydation von Brennstoff,allein oder im Gemisch mit
einem inerten Wärmeträger, enthält (siehe US-PS 3 119 378).
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Gemäß dem Versuchsmodell wird die Schicht aus dispersem Material in
zwei hintereinander liegende Zonen geteilt, wobei in die erste Zone der Katalysator
für die Oxydation von Brennstoff und in die zweite der inerte Wärme träger aufgegeben
werden, der wärmebeständiger als der Oxydationskatalysator ist. Zwecks Vermeidung
der überhitzung des Katalysators wird der ersten Zone ein Brennstoff-Luft-Gemisch
zugefährt, das einen wesentlichen überschuß an einer der Komponenten (entweder Brennstoff
oder Luft) aufweist und aus diesem Grunde zur Flammenverbrennung nicht fähig ist.
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Nach dem Austritt aus der katalytischen Schicht wird das Heißgemisch,
das Produkte der unvollständigen Verbrennung beziehungsweise den freien Sauerstoff
enthält, der zweiten Zone der Wirbelschicht zugeführt. In die genannte Zone wird
auch
die jeweilige knapp vorhandene Komponente (Luft bzw.
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Brennstoff) eingeführt, und das Gemisch verbrennt endgültig an der
Oberfläche der inerten Teilchen bei einer Temperatur von 1250 - 1370 K. Die Bedingungen
in der zweiten Zone des Apparates entsprechen vollständig den Bedingungen der Verbrennung
von Brennstoffen in einer Wirbelschicht inerter fester Teilchen, wodurch in der
Anlage alle oben aufgezählten Nachteile (niedriger Wirkungsgrad sowie eine hohe
Konzentration giftiger Komponenten in Ausscheidungen) auftreten.
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Die untere katalytische Schicht im Versuchsmodell dient praktisch
nur für eine stabile und gefahrlose Verbrennung in der oberen Wirbelschicht aus
inerten festen Teilchen, obwohl sich in dieser Schicht eine beträchtliche Menge
von Wärme entwickeln kann.
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Die Wahl der oben genannten Verfahrens führung beruht auf der Notwendigkeit,
die Überhitzung und Desaktivierung des Katalysators bei Entstehung örtlicher Überhitzungen
im Bereich der Oxydation des reichen (6 (riCY 1) Brennstoff-Luft-Gemisches zu vermeiden.
Zahlreiche Experimente haben jedoch nachgewiesen, daß die örtlichen Überhitzungen
einzelner Katalysatorkörner beziehungsweise Abschnitte des Wirbelschichtvolumens
nur dann entstehen, wenn die Qualität der Wirbelschichtbildung unzufriedenstellend
ist und die Wärmeableitung schwächer als die Wärmeentwicklung ist. Solche Bedingungen
entstehen unter anderem: - bei einer Gasgeschwindiqkeit, die der Geschwindigkeit
des Beginns der Wirbelschichtbildung nahe liegt, - bei Einführung von Füllkörpermaterialien,
insbesondere feinkörnigen, in die Schicht, die die Bewegung und den Wärmeaustausch
zwischen den Katalysatorkörnern beschränken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbrennung
von Brennstoff sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung zu entwickeln, die
einen maximal hohen Ausnutzungskoeffizient der Wärme, die sich bei der Verbrennung
des Brennstoffs entwickelt, ohne Abgabe giftiger Komponenten (Kohlenstoff-, Stickstoff-
und Schwefeloxiden) in die Atmosphäre mit den Rauchgasen infolge einer Änderung
der Technologie der Verbrennung des Brennstoffs und der Konstruktion der Vorrichtung
selbst gewährleisten.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Verfahren zur Verbrennung
von Brennstoffen zur Erhitzung von Arbeitsmedien, gemäß dem ein Gemisch aus einem
Brennstoff mit Luft durch einen Wirbelschichtkatalysator der vollständigen Oxydation
geleitet wird, erfindungsgemäß ein stöchiometrisches Gemisch des Brennstoffes mit
Luft durchgeleitet wird und die Temperatur des Wirbelschichtkatalysators der vollständigen
Oxydation durch die Änderung des Verbrauchs an Arbeitsmedium im Bereich von 670
- 1070 K gehalten wird.
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Ein solches Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff gewährleistet
eine intensive Tieftemperaturoxydation des Brennstoffs unter denBedingungen, bei
denen keine giftigen Komponenten der Hochtemperaturverbrennung (Kohlenmonoxid und
Stickstoffoxide) entstehen, und auch einen hohen Wärmeausnutzungskoeffizient bis
90 - 95 %.
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Zweckmäßigerweise soll der Katalysator der vollständigen Oxydation
in Form von sphärischen Granalien mit einem Durchmesser von 0,04 - 0,2 cm mit einer
Schüttdichte von 1 - 2 g/cm3 verwendet werden.
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Eine derartige Form des Katalysators der vollständigen Oxydation sichert
die Minimierung seines Verschleißes durch
den Abrieb in der Wirbelschicht,
einen ausreichend hohen Wärmeaustauschgrad sowie eine aerodynamische Trennung des
Katalysators der vollständigen Oxydation und des jeweiligen festen (pulverartigen)
Arbeitsmediums bei der Trocknung.
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Es ist wünschenswert, eine Wirbelschicht des Katalysators der vollständigen
Oxydation mit einer Wirbelschichtzahl nicht unter 3 zu verwenden.
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Die Wahl der Wirbelschichtzahl über 3 gewährleistet eine hohe Wärmeleitfähigkeit
in der Katalysatorschicht und verhindert die Überhitzung der Granalien bei der Oxydation
des stöchiometrischen konzentrierten Brennstoff-Luf-Gemisches.
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Bei der Anwendung des Verfahrens zur Verbrennung von Brennstoffen
für die Trocknung von Arbeitsmedien soll die Geschwindigkeit der Wirbelschichtbildung
des Katalysators der vollständigen Oxydation zweckmäßigerweise gleich der bzw. größer
als die Geschwindigkeit des Schwebens von Teilchen des jeweiligen Arbeitsmediums
gewählt werden.
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Eine solche Wahl der Geschwindigkeit der Wirbelschichtbildung des
Katalysators der vollständigen Oxydation gewährleistet ein hohes Niveau des Wärmeaustausches
zwischen den Katalysatorkörnern und dem zu erhitzenden Arbeitsmedium, wodurch eine
thermische überhitzung der Körner des Katalysators der vollständigen Oxydation verhindert
und die Verwendung stöchiometrischer konzentrierter Brennstoff-Luft-Gemische ermöglicht
werden.
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Die gestellte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß in einer Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens zur Verbrennung von Brennstoffen,
die
ein vertikales Gehäuse, einen Wirbelschichtkatalysator der vollständigen Oxydation,
der am gesamten Umfang des vertikalen Gehäuses verteilt ist, ein Gasverteilungsgitter
für die Durchleitung von Luft, das das vertikale Gehäuse von unten begrenzt, enthält,
erfindungsgemäß im vertikalen Gehäuse ein Sektionsgitter mit einem Durchgangsquerschnitt
von 50 - 80 % und mit Öffnungen, die 2 - 10 Durchmesser der Granalien des Katalysators
der vollständigen Oxydation ausmachen, horizontal angebracht sind.
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Eine solche Konstruktion sichert die Möglichkeit einer effektiven
Trocknung verschiedener pulverartiger Materialien, darunter solcher, die in sauerstoffhaltigen
Medien, wie beispielsweise Kohle, Sulfidkonzentrate und Erze und anderes mehr instabil
sind.
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Vorteilhaft können innerhalb des vertikalen Gehäuses röhrenartige
Wärmeaustauschflächen an seinem gesamten Umfang angeordnet sein, wodurch die Ausführung
der Vorgänge der Erhitzung und Verdampfung von Flüssigkeiten, darunter von Wasser
und kohlenstoffhaltigen Flüssigkeiten, gesichert wird.
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Bei der weiteren Beschreibung wird unter dem Begriff"Brennstoff" ein
beliebiger gasförmiger, flüssiger oder fester Stoff verstanden, der chemisch mit
Sauerstoff der Luft unter Wärmeentwicklung reagiert.
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Unter dem Begriff "Ausnutzungskoeffizient" wird der Anteil der Wärme
verstanden, der für die Erhitzung von Arbeitsmedien abgegeben wird.
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Unter dem Begriff "Arbeitsmedium" wird ein beliebiger flüssiger, fester
oder gasförmiger Stoff verstanden, für dessen
Erhitzung, Verdampfung
bzw. Phasenumwandlung Wärme verbraucht wird, die sich bei der katalytischen Oxydation
von Brennstoff entwickelt.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; darin zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung
zur Verbrennung von Brennstoff, die erfindungsgemäß zur Trocknung von Arbeitsmedien
verwendet wird; Fig. 2 eine Temperaturführung in der Vorrichtung für die Verbrennung
von Brennstoff in Fig. 1; Fig. 3 eine Vorrichtung zur Verbrennung von Brennstoff,
die erfindungsgemäß zur Erhitzung und Verdampfung von Flüssigkeiten eingesetzt wird;
und Fig. 4 eine Temperaturführung in der Vorrichtung zur Verbrennung von Brennstoff
in Fig. 3.
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Die Vorrichtung zur Verbrennung von Brennstoff und Erhitzung eines
Arbeitsmediums (Fig. 1) weist erfindungsgemäß ein vertikales Gehäuse 1 auf, das
von unten mit einem Gasverteilungsgitter 2 mit einem Durchgangsquerschnitt von 2
- 5 % begrenzt wird. Innerhalb des vertikalen Gehäuses 1 ist horizontal ein Sektionsgitter
3 angeordnet, das einen Durchgangsquerschnitt von 50 - 80 % und öffnungen mit einer
Größe von 2 - 10 Durchmesser der Granalien des Wirbelschicht-Katalysators 4 der
vollständigen Oxydation aufweist, der am gesamten Umfang des vertikalen Gehäuses
1 verteilt ist. Der Katalysator 4 der vollständigen Oxydation hat die Form von sphärischen
Granalien mit einem Durchmesser von 0,04 - 0,2 cm mit einer Schüttdichte von 1 -
2 g/cm3
Die Katalysatoren 4 der vollständigen Oxydation von Brennstoffen
weisen Oxide der Metalle der Nebenuntergruppen I-VIII Gruppen des Periodensystems
auf, die auf mechanisch feste sphärische Granalien eines keramischen Trägers auf
der Grundlage von Aluminium-, Eisen- und Siliziumoxiden oder Alumosilikaten mit
einer spezifischen Oberfläche von 10 - 200 m2/g mit einem Schüttgewicht von 0,6
- 0,9 g/cm3 aufgetragen sind; der Gehalt der aktiven Komponenten an Oxiden beträgt
5 - 30 Masse % des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation. Als aktive Komponenten
können sowohl individuelle Oxide der genannten Metalle als auch ihre Gemische oder
Verbindungen miteinander oder mit dem Stoff des Trägers verwendet werden.
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Im Arbeitszustand füllt die Wirbelschicht der Granalien des Katalysators
4 der vollständigen Oxydation das in sie getauchte Sektionsgitter 3 aus und bildet
zwei Zonen der Wirbelschicht unter dem Sektionsgitter 3 und über ihm. Die Höhe der
unteren Zone wird so gewählt, daß der Prozeß der katalytischen Oxydation von Brennstoff
und die Bindung des Luftsauerstoffs in dieser Zone vollendet werden (üblicherweise
beträgt die Höhe der unteren Zone 0,2 - 0,6 m).
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In Fig. 2 ist die Temperaturführung in der Vorrichtung gemäß Fig.
1 gezeigt. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, gibt es zwei isothermische Zonen: die
untere Zone mit einer Temperatur, die für die vollständige Oxydation von Brennstoff
erforderlich ist, üblicherweise von 670 - 1070 K, und die obere Zone mit einer Temperatur,
die durch die Bedingungen der Erhitzung des Arbeitsmediums 5 bestimmt wird und etwa
420 - 770 K beträgt. Der Abschnitt der übergangstemperatur entfällt auf den Teil
des Volumens, das von dem Sektionsgitter 3 (Fig. 1) eingenommen wird.
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Die Wärmeableitung aus der oberen Zone der Wirbelschicht des Katalysators
4 der vollständiqen Oxydation erfolgt in der Vorrichtung in Fig. 1 durch die Zuführung
des zu erhitzenden Arbeitsmediums, beispielsweise eines feuchten Pulvermaterials
aus dem Bunker 6 durch eine Dosiervorrichtung, beispielsweise einen Schneckenaufgeber
7, unmittelbar auf den Spiegel der Wirbelschicht des Katalysators 4 der vollständigen
Oxydation. Die erforderliche Bedingung für den Betrieb der Vorrichtung ist die aerodynamische
Trennunq des Katalysators 4 und der eingeführten festen Teilchen des Arbeitsmediums
5. Die Korngröße und Dichte des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation und des
Arbeitsmediums 5 sollen konkret so gewählt werden, daß die Geschwindigkeit des Mitreißens
der Teilchen des Arbeitsmediums 5 um das 2 - 3fache niedriger als die Geschwindigkeit
des Mitreißens der Granalien des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation ist.
Dabei werden die Teilchen des Arbeitsmediums 5 aus dem vertikalen Gehäuse 1 herausgetragen,
in einem Wirbelabscheider 8 niedergeschlagen und vom Strom der Rauchgase getrennt.
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Das Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff wird in der Vorrichtung
wie folgt, durchgeführt: Katalysator 4 der vollständigen Oxydation (Fig. 1) wird
im Gehäuse 1 in einem beliebigen konventionellem Verfahren auf 520 K erwärmt. Zum
Anfahren der Vorrichtung genügt es, lediglich einen Teil des Volumens des Katalysators
4 zu erwärmen, das an dem Gasverteilungsgitter 2 und an der Vorrichtung 9 für die
Einführung und Verteilung von Brennstoff anliegt. Unter das Gitter 2 wird Luft für
die Wirbelschicht des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation und durch die Vorrichtung
9 Brennstoff, beispielsweise flüssiger Brennstoff mit der Siedetemperatur von 470
- 620 K, zugeführt. Bei einer intensiven Oxydation des Brennstoff-Luft-Gemisches
und bei der
Wirbelschicht des Katalysators 4 steigt die Temperatur
auf die Arbeitstemperatur im Bereich von 670 - 1070 K an, wonach man die Zuführung
des flüssigen Brennstoffes mit dem Siedepunkt von 470 - 620 K abschaltet, durch
die Vorrichtung 9 ein gasförmiges, flüssiges oder festes Arbeitsmedium zuführt und
im weiteren ein stöchiometrisches Gemisch aus Brennstoff mit Luft durch die Wirbelschicht
des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation durchläßt.
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Dem oberen Teil des vertikalen Gehäuses 1 wird aus dem Bunker 6 durch
den Schneckenaufgeber 7 pulverartiges Arbeitsmedium 5 zugeführt, wobei die Verbrauchsmenge
darin so eingestellt wird, daß die Temperatur in der oberen Zone der Wirbelschicht
des Katalysators 4 420 - 770 K und in der unteren Zone unter dem Sektionsgitter
3 eine Höhe von 670 - 1070 K erreicht.
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Eines der wichtigsten Probleme, die bei katalytischer Oxydation konzentrierter
Brennstoff-Luft-Gemische entstehen, ist die Suche nach technologischen Betriebsführungen,
bei denen keine bedeutenden Überhitzungen der Granalien des Katalysators 4 der vollständigen
Oxydation und der begrenzten Abschnitte in der Wirbelschicht des Katalysators 4
erfolgen, die zu seiner Desaktivierung führen. Die Wichtigkeit dieses Problems wird
durch folgende Angaben veranschaulicht: 1) Die Temperatur der adiabatischen Erhitzung
bei Verbrennung von stöchiometrischen Brennstoff-Luft-Gemischen beträgt für die
meisten Brennstoffarten über 2300 K.
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2) Moderne feste Katalysatoren auf der Grundlage von Metalloxiden
sind bis 1000 - 1200 K thermisch beständig.
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Demzufolge ist offensichtlich, daß bei Entstehung sogar
von
kurzzeitigen Störungen der Wärmeableitung in der Schicht des Katalysators 4 dieser
Umstand zu einer nicht umkehrbaren Desaktivierung eines Teils des Katalysators 4
der vollständigen Oxydation führt. Deshalb wurde bei der Entwicklung dieses Verfahrens
besonderes Augenmerk der Suche von Bedingungen gewidmet, bei denen eine derartige
nicht umkehrbare Desaktivierung nicht zustandekommen kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Bildung einer Wirbelschicht des Katalysators
4 in der unteren Zone des Gehäuses 1 bei Lineargeschwindigkeiten (Wirbelschichtzahlen)
gelöst, die mindestens um das 3fache die Geschwindigkeit des Beginns der Wirbelschichtbildung
der Granalien des Katalysators 4 übersteigen. Unter den genannten Bedingungen ist
die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung in der Schicht so hoch, daß keine wesentliche
Überhitzung und Desaktivierung des Katalystors 4 der vollständigen Oxydation beobachtet
werden.
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Der Einsatz des Sektionsgitters 3 verringert die Wärmeleitfähigkeit
der Wirbelschicht von 10000 - 20000 W/m.K in der freisiedenden Schicht auf 200 -
500 W./m.K in der Wirbelschicht, die mit dem Sektionsgitter 3 mit den genannten
Parametern versehen ist. Die Senkung der Wärmeleitfähigkeit der Wirbelschicht wird
durch die Bremsung von Granalien in den Zellen des Sektionsgitters 3 bestimmt. Bei
einem solchen Niveau der Wärmeleitfähiqkeit der Wirbelschicht im Sektionsgitter
3, der Wärmeentwicklung in der unteren Zone der Vorrichtung und der Wärmeableitung
in der oberen Zone der Vorrichtung wird ein wesentliches Temperaturgefälle im Sektionsgitter
bis auf 20 - 100 K/cm, bezogen auf die Höhe des Sektionsgitters 3, beobachtet, was
auch die Möglichkeit der Realisierung einer nichtisothermischen Temperaturführung
in der Vorrichtung für die Verbrennung von Brennstoff (Fig. 2) bestimmt.
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Die Anwendung des Verfahrens zur Verbrennung von Brennstoff und der
Vorrichtung für seine Durchführung bei der Bearbeitung eines festen Arbeitsmediums,
für die Trocknung eines feuchten dispersen porösen Materials wird durch folgende
Beispiele veranschaulicht.
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Beispiel 1 In ein vertikales Gehäuse 1 mit dem Innendurchmesser von
250 mm, versehen mit einem Gasverkilungsgitter 2 mit einem Durchgangsquerschnitt
von 5 % werden 25 kg kugelförmigen Kupfer-Chrom-Katalysatos 4 der vollständigen
Oxydation (Kugelgröße beträgt 2 - 2,5 mm, Schüttgewicht 1000 kg/m3) aufgegeben.
Die Geschwindigkeit des Beginns der Wirbelschichtbildung mit Rauchgasen bei einer
Temperatur von 870 K für diesen Katalysator beträgt 0,9 m/s.
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Von unten werden der vorher auf 420 K erhitzten Wirbelschicht des
Katalysators 4 der vollständigen Oxydation Luft und Brennstoff in einem stöchiometrischen
Verhältnis (d-= = 1,0 - 1,1)zugeführt. Der Luftverbrauch wird so vorgegeben, daß
der Katalysator 4 in den Wirbelschichtzustand gebracht wird, und er beträgt 120
Nm3/h. Die Lineargeschwindigkeit des wirbelschichtbildenden Agens im Querschnitt
des Gehäuses 1 der Vorrichtung ist dabei gleich 2,2 - 2,8 m/sIm unteren Teil der
Wirbelschicht des Katalysators 4 erfolgt eine intensive Wärmeentwicklung infolge
der katalytischen Oxydation von Brennstoff. Die Temperatur wird hier in Höhe von
870 K gehalten.
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Von oben wird das zu trocknende Material 5, poröses Alumosilikatadsorptionsmittel
mit Anfangsfeuchtigkeit von 17 Gew.% in einer Menge von 1000 kg/h der Wirbelschicht
zugeführt.
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Die Korngröße des zu trocknenden Adsorptionsmittels liegt unter 0,04
cm. Die Geschwindigkeit des Schwebens solcher
Körnchen des Adsorptionsmittels
beträgt 1,2 m/s. Eine intensive Wärmeabnahme in der oberen Zone der Wirbelschicht
erfolgt durch Verdampfung von Wasser von der Teilchenoberfläche bei unmittelbarer
Berührung mit Granalien des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation. Die realisierten
Arbeitsbedngungnermöglichen es, die Trocknung des Materials bei einer Temperatur
von 380 - 400 K bis auf eine Endfeuchtigkeit von 3 - 4 Gew.% durchzuführen.
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Für die Durchführung des Prozesses der Trocknung eines feuchten Materials
in dem oben aufgeführten Beispiel ist der Ausnutzungskoeffizient der bei der Verbrennung
von Brennstoff zu entwickelnden Wärme gleich 80 %.
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Beispiel 2 Der Vorgang erfolgt ähnlich dem Beispiel 1, es wird nur
als Material für die Trocknung ein Adsorptionsmittel mit der Anfangsfeuchtigkeit
von 35 Gew.% und mit derselben Korngröße verwendet, das in einer Menge von 600 kg/h
zugeführt wird. Die Trocknung erfolgt bei einer Temperatur von 393 - 423 K bis auf
eine Endfeuchtigkeit von 4 - 5 Gew.%.
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Der Ausnutzungskoeffizient der Wärme ist gleich 90 %. Es ist auch
eine andere Variante der Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens für die Verbrennuns
von Brennstoff, für die Erhitzung und Verdampfung flüssiger Arbeitsmedien, beispielsweise
Wasser, wässeriger Lösungen sowie anderer kohlenstoffhaltiger Lösungen und anderer
Medien, möglich.
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In diesem Fall wird die Vorrichtung nach Fig. 1 durch eine röhrenartige
Wärmeaustauschoberfläche 10 ergänzt, die am gesamten Umfang der Vorrichtung angeordnet
wird. Eine solche Vorrichtung für die Verbrennung von Brennstoff ist in Fig. 3 abgebildet.
Sie besteht aus einem vertikalen Gehäuse 1, das von unten mit einem Gasverteilungsgitter
2 begrenzt wird, einer Einrichtung 9 für die Zuführung von
Brennstoff
zur Wirbelschicht des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation, einem Sektionsgitter
3, das die Schicht in zwei Zonen, die untere Hochtemperaturzone, wo die katalytische
Verbrennung von Brennstoff bei einer Temperatur von 670 - 1070 K erfolgt, und die
obere Zone einteilt, wo Rauchgase bei einer Temperatur von 420 - 570 K gekühlt werden,
sowie röhrenartigenWärmeaustauschoberflächen 10, innerhalb deren die zu erhitzende
Flüssigkeit unterbracht ist. Zweckmäßigerweise soll die Bewegung der Verbrennungsprodukte
von unten nach oben und der Flüssigkeit in den Wärmeaustauschflächen von oben nach
unten im Gegenstrom erfolgen, was eine intensivere Wärmeübertragung und einen höhreren
Wärmeausnutzungskoeffizient in der Vorrichtung gewährleistet.
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Das Anfahren der Vorrichtung erfolgt ähnlich, wie es oben für die
Erhitzung eines festen Arbeitsmediums beschrieben wurde, lediglich mit dem Unterschied,
daß nach Erreichung einer stabilen Betriebsführung der Vorrichtung und eines Bereiches
der Arbeitstemperaturen von 670 - 1070 K den röhrenartigen Wärmeaustauschflächen
10 die zu erhitzenden Flüssigkeit zugeführt wird.
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In Fig. 4 ist die Temperaturführung in der Höhe der Wirbelschicht
des Katalysators 4 in der Vorrichtung nach Fig. 3 abgebildet.
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Wie aus der graphischen Darstellung in Fig. 4 zu ersehen ist, ermöglicht
es das Sektionsgitter 3 (Fig. 3), in der Vorrichtung eine nichtisothermische Betriebsführung,
die besonders vorteilhaft ist, durchzuführen, da in der unteren Zone die Temperatur
in Höhe von 670 - 1070 K, bei der die katalytische Oxydation von Brennstoff intensiv
verläuft,
und in der oberen Zone die Temperatur in Höhe von 420
-570 K unterhalten werden, was eine effektive Abkühlung der Verbrennungsprodukte
und einen hohen Ausnutzungskoeffizient der Wärme des zu verbrennenden Brennstoffes
über 90 % gewährleistet.
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Die Anwendung des Verfahrens zur Verbrennung von Brennstoff und der
Vorrichtung für seine Durchführung zwecks Erhitzung und Verdampfung von Flüssigkeiten
wird durch nachstehende Beispiele veranschaulicht: Beispiel 1 Als Brennstoff wird
Masutheizöl folgender prozentualer Zusammensetzung verwendet: H C S O+N 11,2 87,4
0,5 0,9 10,5 87,6 0,7+1 1,Q Die Verbrennung von Brennstoff erfolgt in der oben beschriebenen
Vorrichtung. Das vorher auf 350 K erhitzte Masutheizöl wurde mittels einer Tauchkolbenpumpe
zugeführt.
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Der Verbrauch an Öl betrug 5,6 kg/h und der an Luft 63 m3/h Der Katalysator
der vollständigen Oxydation wurde vorher mit einem elektrischen Heizkörper auf 600
- 700 K erwärmt, wonach man die Zuführung von Dieselkraftstoff vornahm und die Temperatur
der Wirbelschicht des Katalysators 4 auf 750 - 800 K gebracht wurde. Bei der Erreichung
der genannten Temperatur wurde die Zuführung von Dieselkraftstoff eingestellt, und
man begann, Masutheizöl zuzuführen. Bei einer
Temperatur von 750
- 800 K erfolgte eine stabile Entflammung von Masutheizöl, und weiter wurde die
Temperatur auf 670 - 1070 K gebracht.
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Bei den oben genannten Werten des Verbrauchs an Brennstoff und Luft
stimmten die nach der Zuführung und nach der chromatographischen Analyse der Abgase
berechneten Größen praktisch überein und betrugen K = 1 , 1. Es wurde das Gasgemisch
unter der Wirbelschicht des Katalysators 4 analysiert.
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Der Gehalt an Stickstoffoxiden wurde nach bekannten fotokalorimetrischen
Methoden unter Einsatz des von-Griess-Ilosvay-Reagens' ermittelt.
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Die zu beobachtende Zusammensetzung des Gasgemisches ist: CO2 = 13,8
%, O2 = 2,2 %, NOx = 70 ppm, CO nicht über 10-3 %, CH4 nicht über 10-3 %.
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Bei einer Temperatur der Schicht über 920 K und # >1 wird der in
der Zusammensetzung des jeweiligen Brennstoffes enthaltene Schwefel quantitativ
zu S03 oxydiert.
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Der Wärmeausnutzungskoeffizient (#) beträgt 92 %.
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Beispiel 2 In die Vorrichtung werden 70 1 Katalysator aufgegeben,
der 5 % Kupferchromit, Rest #-Al2O3 (Schüttgewicht 0,76 g/cm3) aufweist. Nach der
Erhitzung wird folgende Betriebsführung 3 eingestellt: Verbrauch an Luft 60 m /h,
an Dieselkraftstoff 6,39 l/h und Wasser in den röhrenartigen Wärmeaustauschflächen
1100 l/h; die Temperatur des Wassers am Eintritt betrug 300 K und am Austritt 345
K. Der Wärmeausnutzungskoeffizient betrug 85 t.
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Beispiel 3 Ähnlich wie im Beispiel 1, aber der Verbrauch an Luft 3
beträgt 100 m /h,an Brennstoff 10,8 l/h und an Wasser 2025 l/h (arzt t = 380). Die
Temperatur in der unteren Zone beträgt 830 K, am Austritt 570 K, der Wärmeausnutzungskoeffizient
beträgt 85 %.
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Beispiel 4 In die Vorrichtung werden 50 1 Katalysator aufgegeben,
der 30 % Kupferchromit und Rest g Al203 (Schüttgewicht gleich 1,1 g/cm3) aufweist.
Nach der Erhitzung wird folgende Betriebsführung eingestellt: Verbrauch an Luft
beträgt 103 m3/h, an Dieselkraftstoff 9,8 l/h und an Wasser 3400 l/h ( A t = 220).
Die Temperatur in der unteren Zone des Reaktors beträgt 895 K und am Austritt 400
K. Der Wärmeausnutzungskoeffizient ist 89 %.
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Beispiel 5 Ähnlich wie im Beispiel 1, aber der Verbrauch an Luft beträgt
80 m3/h, an Dieselkraftstoff 6,7 l/h, und an Methan 0,0 - 1,3 m3/h. Die Temperatur
in der unteren Zone beträgt 900 - 970 K, am Austritt aus der Vorrichtung 770 K.
Es wurde kein Methan in den Reaktionsprodukten festgestellt, der Gehalt an C02 im
Abgas beträgt 14,2 - 15,0 %.
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Beispiel 6 Als Brennstoff wurde Braunkohle mit folgenden Kenndaten
verwendet: - Teilchengröße, cm 0,04 - 0,1 - Arbeitsfeuchtigkeit, % 16 - Arbeitsaschegehalt,
% 12,3 - Gehalt an flüchtigen Bestandteilen, bezogen auf die Trockensubstanz, %
37,5 - Gehalt an Stickstoff, bezogen auf die Trockensubstanz, e 0,9 - Gehalt an
Schwefel, bezogen auf die Trockensubstanz, % 0,7
Die Verbrennung
von Kohle erfolgte in der oben beschriebenen Vorrichtung. Kohle wurde dosiert und
dem unteren Teil des Gehäuses 1 mit Drucklufttransport zugeführt.
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Die Erhitzung und die Verbrennung des Brennstoffs mittels Katalysators
sowie die Analyse der Abgase erfolgten wie im Beispiel 1, der Verbrauch an Luft
betrug 630 m³h und an Kohle 120 kg/h.
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Der Überschußkoeffizient an Luft wurde nach dem Gehalt der Abgase
an Sauerstoff ermittelt und betrug 1,02 -1,1. Stabile Verbrennung von Kohle wurde
bei Temperaturen über 770 K beobachtet.
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Die zu beobachtende Zusammensetzung des abgegebenen Gasgemisches war,
wie folgt: CO2 18,0 - 19 %, 02 = 0,4 - 2 %, NOx = 80 - 140 mg/m3, CO nicht über
10 %, CH4 nicht über 10 3 %.
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Der ganze im Brennstoff vorhandene Schwefel wird mit Asche verbunden.
Disperse Asche wird mit dem Strom der Abgase entfernt. Die Temperaturführung in
der Schichthöhe wird ähnlich wie im Beispiel 4 gehalten.
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Der Wärmeausnutzungskoeffizient (g) beträgt 92 %. Hierdurch kontaktiert
das Arbeitsmedium in dem vorgeschlagenen Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff
und in der Vorrichtung zu seiner Durchführung eine Wirbelschicht eines Katalysators
der vollständigen Oxydation, der fähig ist, den Brennstoff ohne Luftüberschuß bei
relativ niedrigen Temperaturen von 700 - 1000 K zu verbrennen. Zur Vermeidung der
Überhitzung der Granalien des Katalysators im unteren Teil der Wirbelschicht, welcher
ein stöchiometrisches Brennstoff-Luft-Gemisch zugeführt wird, gibt es eine freiwirbelnde
Zone,
in der die Geschwindigkeit des Gasstromes bedeutend (um das 2 - 3fache) die Geschwindigkeit
des Beginns der Wirbelschichtbildung der Katalysatorgranalien übersteigt. In dieser
Zone erfolgt die katalytische Oxydation der Hauptmasse des Brennstoffs.
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Zur Senkung der Temperatur im abschließenden Teil der Schicht und
demzufolge auch der Temperatur der Abgase wird im mittleren Teil der Schicht ein
spezielles Sektionsgitter angeordnet, das den Wärmeaustausch zwischen den oberen
und den unteren Schichtteilen begrenzt. Das ermöglicht, die Temperatur der Abgase
auf einem niedrigen Niveau (370 - 500 K) zu halten und dadurch im unteren Teil der
Schicht eine optimale Temperaturführung für die katalytische Oxydation des Brennstoffs
(670 - 1070 K) zu bewirken.
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Hierdurch ermöglichen die niedrige Temperatur der Abgase, hohe Werte
(bis 96 %) des Wärmeausnutzungskoeffizienten und die hohe Geschwindigkeit der katalytischen
Oxydation, eine hohe Wärmespannung des Arbeitsvolumens und entsprechend geringe
Abmessungen der Vorrichtungen zur Verbrennung von Brennstoffen zu erhalten.
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Wie oben erwähnt, ist ein weiteres, nicht wenig wichtiges Problem,
das im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens gelöst wird, die Gewinnung von Abgasen,
die eine minimale Menge an giftigen Komponenten aufweisen. Zu solchen Komponenten
zählen Kohlenmonoxid (CO), Schwefel- und Stickstoffoxide.
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1. Die katalytische Oxydation von Kohlenmonoxid zu C02 bei 500 K und
darüber hinaus verläuft so intensiv, daß für die vollständige Durchführung dieses
Prozesses etwa 1 Volumen des Oxydationskatalysators je 2000 Voluminades zu oxydierenden
Gasgemisches in einer Stunde ausreichend ist.
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Die Ausscheidung von Kohlenmonoxid mit den Abgasen wird bereits bei
minimalem Luftüberschuß vong ~1,02 nicht fixiert.
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2. Die Entwicklung der Verbrennungsprozesse von Brennstoff in der
Wirbelschicht eines inerten Wärmeträgers wird hauptsächlich durch die Möglichkeit
stimuliert, Schwefel zu nicht flüchtigen Verbindungen zu binden, beispielsweise
SO2 + 1/2 02 + MeO - MeS04, wo Me Ca oder Mg ist.
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Da für den Verlauf dieser Reaktion ein freies Oxid eines Erdalkalimetalls
erforderlich ist, ist für die Durchführung derselben eine Temperatur über 1100 K
notwendig, bei der die Ausgangskarbonatverbindungen sich thermisch zersetzen, beispielsweise
Bei der katalytischen Oxydation von Brennstoff in dem vorgeschlagenen Temperaturbereich
(670 - 1070 K in der unteren Sektion und 420 - 570 K in der oberen Sektion) verläuft
die Reaktion SO2 + 1/2 02 r S03 mit großer Intensität und Vollständigkeit und zwar
so, daß bereits bei minimalem Gehalt an Sauerstoff in den Abgasen (4 ~1,053 Schwefeldioxid
sich vollständig zu Schwefeltrioxid umsetzt.
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Dabei erfolgt in der oberen (Tieftemperatur-) Zone der Vorrichtung
bei einer Temperatur von etwa 400 K die Kondensation aus Dämpfen der Schwefelsäure
an den Teilchen der Wirbelschicht, und die Schwefelsäure kann zu nichtflüchtigen
Verbindungen mit Erdalkalimetallen, darunter auch mit Karbonatverbindungen, gebunden
werden:
Hierdurch wird bei der katalytischen Oxydation von Brennstoffen
unter
obengenannten Temperaturbedingungen ein vollständiges Auffangen von Schwefeloxiden
erreicht, und es ist keine Erhöhung der Temperatur auf 1100 K erforderlich, bei
der sich die Karbonate der Erdalkalimetalle zersetzen.
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3. Der Gehalt an Stickstoffoxiden in den Abgasen wird hauptsächlich
durch die Temperatur führung des Verbrennungsablaufs des Brennstoffs bestimmt. Unter
den im Versuchsmodell herrschenden Bedingungen ist dieser Gehalt ziemlich hoch und
übersteigt wesentlich die heutigen Normen. So erreicht der Gehalt an NO bei 1123K
und bei&C = 1,1 120 mg/m3 und bei 1323 K 460 mg/m³, während die heutige Norm
für die USA den Gehalt an NO mit 100 - 150 ppm (200 - 300 mg/m³) begrenzt. In dem
Temperaturbereich, der in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff
und in der Vorrichtung zu seiner Durchführung angewendet wird, übersteigt der Gehalt
an Stickstoffoxiden dagegen in der Regel nicht 100 ppm.