DE3233959A1

DE3233959A1 - Wirbelbettreaktor mit waermeaustauschrohren

Info

Publication number: DE3233959A1
Application number: DE19823233959
Authority: DE
Inventors: Karl Heinrich van Dr.rer.nat. 4300 Essen Heek; Harald Prof. Dr.rer.nat. Jüntgen; Reinhold Dr.-Ing. 4320 Hattingen Kirchhoff; Werner Prof. Dr.rer.nat. 4630 Bochum Peters; Heinrich 4630 Bochum Wagener
Original assignee: Bergwerksverband GmbH
Current assignee: Bergwerksverband GmbH
Priority date: 1982-09-14
Filing date: 1982-09-14
Publication date: 1984-03-15

Description

Die Erfindung betrifft einen Wirbelbettreaktor mit in der
Wirbelschicht vertikal verlaufenden, an ihren unteren Enden paarweise miteinander verbundenen Wärmeaustauschrohren, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Wirbelbettreaktors.
Wirbelbettreaktoren mit Wärmeaustauschrohren werden in einer Vielzahl von chemischen und physikalischen Prozessen verwendet, in denen eine endo- oder exotherme Reaktion stattfindet und bei denen die Reaktionstemperatur mit Hilfe eines Wärmeaustauschfluides konstant gehalten wird. Einen typischen Anwendungsfall stellen die Vergasung und die Verbrennung von Kohle, aber auch die Trocknung feuchter Partikel, in der Wirbelschicht dar. Die eingangs genannten Wirbelbettreaktoren weisen an der unteren begrenzten Fläche des Reaktorraumes einen Anströmboden sowie mehr oder weniger vertikal verlaufende Seitenwände auf. Der Anströmboden hat die Aufgabe, das Wirbelfluid gleichmäßig über den Querschnitt des Wirbelbettreaktors zu verteilen, so daß lokale Wirbelfluidblasen, die durch das Wirbelgut stoßen, weitgehend vermieden werden, oder aber gleichmäßig über den Reaktorquerschnitt nach oben strömen. Oberhalb der von dem Wirbelgut gebildeten Wirbelschicht ist in der Regel ein Freiraum mit einem oberen Abzug für das Wirbelfluid und eventuelle flüchtige Reaktionsprodukte vorgesehen. Das zu behandelnde, mehr oder weniger feinkörnige Material wird der Wirbelschicht, die auch zu einem hohen Grad aus einem inerten, feinkörnigen Material, wie Sand, Asche oder dergleichen, bestehen kann, entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich aufgegeben und aus ihr abgezogen, wobei den kontinuierlichen Verfahren zumeist der Vorrang gegeben wird. Das zu behandelnde Wirbelgut kann den Wirbelbettreaktor sowohl vertikal in oder gegen die Strömungsrichtung des Wirbelfluides durchwandern, aber auch quer zu diesem, von einer Eintrags seite zu einer Aus- tragsseite des Wirbelbettreaktors, der dabei die Form einer Wirbelrinne annimmt.
Zur Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen Wirbelzustandes sind, in Abhängigkeit von der Größe der wirbelnden Partikel und ggf. anderer Parameter, wie Druck und Temperatur, ganz bestimmte Wirbelgasgeschwindigkeiten - zumeist auf den freien Reaktorquerschnitt bezogen - erforderlich. Zu niedrige Wirbelgasgeschwindigkeiten haben zur Folge, daß zumindest die größeren und/oder dichteren Partikel gegenüber den meistens ebenfalls vorhandenen kleineren und/oder leichteren Partikeln nicht mehr in einen Schwebezustand bzw. in wirbelnde Bewegungen versetzt werden können. Zu hohe Wirbelgasgeschwindigkeiten führen zum Uberkopfaustrag zumindest der kleineren und/oder leichteren Wirbelgutpartikel. Eine möglichst gleichmäßige Behandlung aller Wirbelgutpartikel erfordert daher die Einhaltung ganz bestimmter Wirbelgasgeschwindigkeiten.
Die Wärmeaustauschrohre stellen eine Querschnittsverengung des Wirbelbettreaktors dar, die beim Einstellen der bestgeeignetesten Geschwindigkeit des Wirbelfluides berücksichtigt werden muß. Es ist aber auch wichtig, die Wärmeaustauschrohre in geeigneter Weise über den Querschnitt der Wirbelschicht zu verteilen, um den bestmöglichen Wärmeübergang zu gewährleisten.
Man hat daher, z. B. bei der Vergasung und Verbrennung von Kohlen in einem Wirbelbettreaktor, im wesentlichen vertikal verlaufende Wärmeaustauschrohre verwendet, weil diese die hydraulischen Bedingungen im Wirbelbett noch am wenigsten beeinflussen. Ublicherweise verwendet man in das Wirbelbett eingehängte Rohrregister mit an ihren unteren Enden paarweise miteinander verbundenen Wärmeaustauschrohren, bei denen jedes Rohrpaar an seinem oberen Ende eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung für das Wärmeaustauschfluid aufweist. Diese Rohre können entweder in querlaufenden, in Serie oder in Reihe geschalteten Ver-und Entsorgungsrohren oder auch in einem besonderen Doppelboden münden.
Die unteren Enden der Rohrpaare verbindet man bei den vorerwähnten Wärmeaustauschern durch Rohrbögen, für die es bekanntlich relativ einfache Herstellungsverfahren gibt, und welche sorgfältig mit den unteren Enden der vertikal verlaufenden Rohrpaare, z. B. durch Schweißen, verbunden werden. Man hat diese Art der Rohrverbindung unter anderem deshalb gewählt, weil die Verbindungsstellen zu den vertikalen Wärmeaustauschrohren relativ leicht herzustellen und zu kontrollieren waren und den auftretenden Wärmedehnungs- und Errosionsbelastungen am besten gewachsen sind. Entscheidend für die Verwendung von Verbindungsrohrbögen mit einem erheblich größeren Biegeradius als dem äußeren Durchmesser der Wärmeaustauschrohre war die Notwendigkeit eines möglichst effektiven Wärmeaustausches mit den Partikeln der Wirbelschicht, welcher dadurch sichergestellt wurde, daß möglichst alle Rohre des Wärmeaustauschers einen möglichst gleichmäßigen Abstand voneinander besitzen.
Bei den vorerwähnten Wirbelbettreaktoren mußte allerdings der Nachteil in Kauf genommen werden, daß die Strömungsbedingungen der Wirbelschicht zwischen dem Anströmboden und dem Bereich der Wärmeaustauschrohre stark gestört war und die - vor allem für einen kontinuierlichen Prozeß notwendige - Gleichmäßigkeit bei der chemischen Reaktion an den einzelnen Partikeln und deren Wanderung durch das Wirbelbett von der Eintrags- zur Austragsseite sich nur im Bereich der vertikal verlaufenden Wärmeaustauschrohre einstellte.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Wirbelbettreaktor der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Wirbelbettreaktors bereitzustellen, welches die Führung des chemischen und/oder physikalischen Prozesses erleichtert.
Die Erfindung löst diese Aufgabe hinsichtlich eines Wirbelbettreaktors durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 sowie, hinsichtlich eines Verfahrens, durch die Merkmale des Patentanspruches 6. Besondere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die Erfindung wird erreicht, daß das Wirbelgut im Bereich der Rohrverbinder, aber auch unmittelbar unterhalb und oberhalb der Rohrverbinder, erheblich gleichmäßiqer wirbelt, so daß unter anderem die Einspeisung, aber auch der Abzug, von Wirbelgut im unteren Bereich der Wirbelschicht weniger als bisher gestört wird, so daß sich hierdurch das Verweilzeitverhalten der Wirbelschicht verbessert. Die bisher beobachteten Unregelmäßigkeiten der Wirbelfluidströmung, die nach dem Stand der Technik immer wieder zu deutlichen Abweichungen von der günstigsten Wirbelgeschwindigkeit, d. h. sowohl zu Erhöhungen der Wirbelgasgeschwindigkeit unter Mitreißen von Wirbel gut oder zur Erniedrigung der Wirbelgeschwindigkeit unter Absetzen des Wirbelgutes führten, werden vermieden.
Überraschenderweise wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der Wärmeaustauschrohre und der Rohrverbinder die Gleichmäßigkeit des Wärmeüberganges zwischen der Wirbelschicht und dem Wärmeaustauschmedium praktisch nicht verschlechtert, obwohl die Gleichmäßigkeit der Verteilung der Wärmeaustauschfläche in der Wirbelschicht verringert ist.
Es versteht sich, daß die an ihren unteren Enden unmittelbar nebeneinander verlaufenden und verbundenen Rohrabschnitte jedes Rohrpaares in ihrem weiteren Verlauf nach oben auseinanderlaufen können, ohne daß hierdurch die zuvor erzielte Vergleichmäßigung des Wirbelverhaltens beeinträchtigt wird. Es ist lediglich darauf zu achten, daß das Auseinanderlaufen der Rohre mit hinreichend kleinen Winkeln erfolgt, um die Wirbelschicht hierdurch nicht zu stören.
An ihren oberen Enden können die Wärmeaustauschrohre in beliebiger Weise miteinander verbunden sein, vorausgesetzt, daß diese Verbjndungsstellen sich oberhalb der Wirbelschicht befinden - ansonsten empfiehlt es sich, auch an den oberen Enden der Wärmeaustauschrohre die erfindungsgemäße Anordnung zu wählen, wobei die hierdurch erreichbaren Erfolge wegen des größeren Abstandes zum Anströmboden wesentlich schwächer ausfallen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung des nachfolgenden Ausführungsbeispieles anhand der beiliegenden Zeichnungen. Die Figur 1 zeigt einen Wirbelschichtreaktor mit Wärmeaustauschrohren in unterschiedlicher Ausführung der Rohrpaare im schematischen Vertikalschnitt.
Fig. 2 zeigt verschiedene 1800-Wärmeaustauscher-Rohrbögen.
Der Wirbelbettreaktor weist einen Anströmboden 1 mit einem darunter befindlichen Windkasten 2 für die Verteilung des Wirbelfluides auf die Anströmdüsen 3 auf. Die Seitenwände 4, 5 des Wirbelbettreaktors können, den jeweiligen Verhältnissen angepaßt, vertikal, schräg oder gekrümmt verlaufen. Zwischen den Seitenwänden befindet sich oberhalb des Anströmbodens eine Wirbelschicht 6 mit einer Obergrenze 7 des Wirbelgutes. In die Wirbelschicht sind im wesentlichen vertikal verlaufende Rohrpaare 8 eines Wärmeaustau- schers eingetaucht. Jedes Rohrpaar besteht aus einem das Wärmeaustauschfluid abwärts und aufwärts führenden Wärmeaustauschrohr. Zumindest im Bereich der unteren Verein dungsstellen 9 der Rohrpaare 8 weisen diese Rohrpaare unmittelbar nebeneinander verlaufende Rohrabschnitte 10, 11 auf, die ggf. sogar durch Schweißen oder ähnliche Methoden miteinander fest verbunden sein können. Jedes Rohrpaar 8 weist im Bereich der Verbindungsstellen 9 einen quer zu den Rohrabschnitten 10, 11 verlaufenden Rohrverbinder 12, 13, 14 auf.
Die oberen Enden der Wärmeaustauschrohre können auf unterschiedliche Weise miteinander verbunden sein. Bei einem Wärmeaustauscher mit Reihenschaltung der Wärmeaustauschrohre tritt das Wärmeaustauschfluid bei einem Einlaßstutzen 15 in den Wirbelschichtreaktor ein und bei einem Auslaßstutzen 16 wieder aus, nachdem es hintereinander mehrere Rohrpaare 8 durchströmt hat, wobei diese Rohrpaare z.
B. durch weite Rohrbögen 17 oder durch Rohrverbinder 18, ähnlich den Rohrverbindern 12, 13, 14, miteinander verbunden sind. Bei der Verwendung von Rohrverbindern 18 müssen die oberen Rohrabschnitte 19 benachbarter Rohrpaare aufeinander zulaufen. Es ist aber auch möglich, bei parallel geschalteten Rohrpaaren jeweils ein Rohr an einen horizontalen Fluidverteiler 20 und das andere an einen Fluidsammler 21 anzuschließen.
Das Wirbelfluid wird im Windkasten 2 durch einen Fluidzuführstutzen 22 aufgegeben und oberhalb der Wirbelschicht 6 durch einen Fluidabführstutzen 23 aus dem Wirbettreaktor entfernt. Die Gutaufgabe kann z. B. im unteren Bereich der Wirbelschicht durch die Seitenwand 4 mittels eines Einspeisesystems 24, z. B. einer Strahlaufgabevorrichtung, aufgegeben und, nach horizontalem Durchwandern des Wirbelbettreaktors, bei einem Ausschleusesystem 25 abgezogen werden, z. B. einem Wehr, einer Zellenradschleuse oder ähnlichem.
Aus Fig 2 ergeben sich ohne weiteres verschiedene Möglichkeiten zur Ausgestaltung der erfindungsgemäßen 1800-Wärmeaustauscher-Rohrbögen; hinsichtlich der Bezugszeichen wird entsprechend auf Fig 1 verwiesen.

Claims

Wirbelbettreaktor mit Wärmeaustauschrohren Patentansprüche 1. Wirbelbettreaktor mit in der Wirbelschicht (6) vertikal verlaufenden, an ihren unteren Enden paarweise miteinander verbundenen Wärmeaustauschrohren, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrpaare (8), zumindest im Bereich ihrer unteren Verbindungsstellen (9), unmittelbar nebeneinander verlaufende Rohrabschnitte (10, 11) und einen die unteren Enden der Rohrabschnitte (10, 11) verbindenden, quer zu diesen verlaufenden Rohrverbindern (12, 13, 14) aufweisen.
2. Wirbelbettreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen seitlich auf Gärung geschnitteten Rohrabschnitt als Rohrverbinder (14).
3. Wirbelbettreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Enden der Rohrabschnitte (10, 11) die Form von Rohrbogenteilstücken (26) aufwei sen.
4. Wirbelbettreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrverbinder (12) aus einer gekrümmten Platte zwischen den Rohrbogenteilstücken (26), besteht.
5. Wirbelbettreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrverbinder (13) zumindest Teil eines 1800-Rohrbogens mit einem Biegeradius von der Größe des Außendurchmessers der Rohrabschnitte (10, 11) ist.
6. Verfahren zum Betreiben eines Wirbelbettreaktors, gekennzeichnet durch die Verwendung von in der Wirbelschicht vertikal verlaufenden Wärmeaustauschrohren mit im Bereich ihrer unteren Verbindungsstellen unmittelbar nebeneinander verlaufenden Rohrabschnitten und einem die unteren Enden der Rohrabschnitte verbindenden, quer zur diesen verlaufenden Rohrverbinder.