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Beschreibung:
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Wirbelschichtofen mit einem ersten
geneigten Boden, der Düsenöffnungen für das Einblasen von Luft in eine Wirbelschicht
aus körnigem Material aufweist und einer oberhalb des ersten Bodiens angeordneten,
ebenfalls geneigten ersten Ablenkungswand und mit mindestens einer Zuführungsöffnung
für zu verbrennendes Gut.
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Wirbelschichtöfen werden bevorzugt für die Verbrennung von Müll verwendet.
Die Wirbelschicht besteht aus einem Material, das selber nicht verbrennt, z.B. aus
Quarzsand. Vor dem Verbrennungsvorgang muß das Material der Wirbelschicht auf eine
Zündtemperatur von etwa 600 bis 700 OC aufgeheizt werden. Danach kann zu verbrennendes
Gut in den Ofen eingeführt werden. Dieses Gut wird durch die Wirbelschicht entzündet.
Die Temperatur in der Wirbelschicht ist, bedingt durch die Umwälzung, die bei der
Verwirbelung stattfindet, gut ausgeglichen, was für die Verbrennung inhomogenen
Materials, wie Müll,günstig ist. Die Verbrennung in Wirbelschichtöfen gestattet
auch eine Verbrennung mit sehr hohem Luftüberschuß, ohne daß die Gefahr eines Erlöschens
besteht. Dadurch erhält man eine gute Verbrennung und relativ niedrige Schadstoffemissionen.
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Bei einem bekannten Wirbelschichtofen der eingangs genannten Art (JP-A2
55-137415 (A)) werden die Verbrennungsgase ohne weitere Vorbehandlung einem Abgasstutzen
zugeführt. Da die Verbrennungsgase häufig viel Staub mitführen, muß dem Ofen eine
Staubabscheidungseinrichtung nachgeschaltet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wirbelschichtofen
der eingangs genannten Art so auszubilden, daß
bei hoher Verbrennungleistung
mit geringem Bauaufwand eine Entstaubung der Verbrennungsgase bereits im Ofen stattfindet.
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Der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffene Wirbelschichtofen ist gekennzeichnet
durch einen entgegengesetzt zum ersten Boden geneigten zweiten Boden und eine oberhalb
des zweiten Bodens angeordnete, entgegengesetzt zur ersten Ablenkungswand geneigte
zweite Ablenkungswand, wobei die Ablenkungswände Teile der Wandung eines Zyklons
bilden, der einen oberen Zyklon-Zuströmungsstutzen für Verbrennungsgase aufweist
und aus dem ein Abgasrohr für Verbrennungsgase und nach unten ein Fallrohr für im
Zyklon ausgeschleuderte Feststoffteilchen ausmünden.
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Der erfindungsgemäße Wirbelschichtofen kann im Vergleich zu dem vorbekannten
Ofen den doppelten Querschnitt aufweiZen, da infolge der symmetrischen Anordnung
zwei walzenförmige Strömungen in der Wirbelschicht gebildet werden, die beide bis
zu einer maximal möglichen Größe ausgedehnt sein können. Die Größe einzelner stabiler
Wirbelschichten ist begrenzt; oberhalb einer horizontalen Querschnittsfläche von
etwa 2 x 2 m werden im;allgemeinen keine stabilen Wirbel mehr erhalten. Wenn nun
zwei Wirbei vorgesehen werden, kann die Querschnittsfläche verdoppelt werden. In
einem so verdoppelten Ofen nun werden die Ablenkungswände als Teile eines Zyklons
ausgenutzt, in dem die Verbrennungsgase weitgehend entstaubt werden.
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Der zusätzliche Bauaufwand für einen in den Ofen integrierten Zyklon
ist gering, da zum Bau des Zyklons die ohnehin nötigen Ablenkwände ausgenutzt werden.
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Vorteilhafterweise erweitert sich der Zyklon-Zuströmungsstutzen zu
seinem oberen Ende hin (Anspruch 2), wobei die Divergenz vorzugsweise progressiv
ist (Anspruch 3).
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In Strömungsrichtung der Verbrennungsgase konvergiert also der Querschnitt
des Zyklon-Zuströmungsstutzens.
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Unterhalb dieses in Strömungsrichtung konvergierenden Abschnittes
kann ein Abschnitt mit gleichbleibendem Querschnitt angeschlossen sein (Anspruch
4). Durch diese Formgebung des Zyklon-Zuführungsstutzens werden die Verbrennungsgase
vorteilhaft aufgefangen und beschleunigt, so daß sie im Zyklon eine relativ hohe
Strömungsgeschwindigkeit haben, so daß bei der Umlenkung im Zyklon Feststoffpartikel
weitgehend ausgeschleudert werden.
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Der Wirbelschichtofen kann mit verschiedenen Querschnitten ausgeführt
werden.Bei einem rechteckigen Querschnitt kann sich der Zyklon über die gesamte
Tiefe des Ofens erstrecken (Anspruch 5) oder auch nur über einen Teil der Ofentiefe
(Anspruch 6). Auch kreisrunde Querschnitte sind möglich.
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In diesem Fall bilden die beiden Ablenkungswände und auch der mit
den Düsenöffnungen versehene Boden zusammenhängende Kegelflächen. Der Wirbel ist
in diesem Falle zusammenhängend und torusförmig.
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Die walzenförmigen Strömungen im Ofen und die Verwirbelungen können
ausschließlich durch die Einblasung von Luft bewirkt werden. In diesem Falle sind
die Böden gemäß Anspruch 8 von den Ofenwänden zur Ofenmitte hin geneigt.
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Man kann aber die Verwirbelung auch durch Einleitung von Schwingungsbewegungen
in das Wirbelschichtmaterial begünstigen, z.B. mittels mechanischer Schwinger, die
die Böden in vibrierende Bewegung setzen und/oder mittels eingeblasener Luft, die
in Schwingung versetzt ist. In diesem Fall kann die Bodenneigung auch anders sein
(Anspruch 9).
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Eine Weiterbildung der Erfindung (Anspruch 10) ist dadurch gekennzeichnet,
daß zwei oder mehr Wirbelschichtöfen (Elementaröfen) von rechteckigem Querschnitt,
wie sie bereits beschrieben wurden, nebeneinander angeordnet sind, wobei
die
Ofenwand an der Stoßstelle zweier Elementarwände weggelassen ist. Auf diese Weise
lassen sich praktisch beliebig große Wirbelschichtöfen bauen. Die Herstellungskosten
sind, bezogen auf eine vorgegebene Verbrennungsleistung, geringer als bei Verwendung
von Einzelöfen, da durch Weglassung von Ofenwänden Einsparungen erzielt werden.
Bei Öfen dieser Art ist es vorteilhaft (Anspruch 11), die Zufuhröffnungen für zu
verbrennendes Gut an der Oberwand des Ofens im Bereich der Stoßstelle zweier Elementaröfen
anzuordnen. Das Verbrennungsgut wird auf diese Weise gleichmäßig auf die beiden
benachbarten Elementaröfen verteilt. Es ist jedoch auch eine seitliche Eingabe möglich.
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Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung des Fallrohres, das aus dem
Zyklon ausmündet, gemäß den Ansprüchen 12 und 13. Bei senkrechter Anordnung des
Fallrohres wird ein Ausfallen von Staub ohne zusätzliche Hilfsmittel erreicht. Das
Abgasrohr ist vorzugsweise vertikal angeordnet (Anspruch 14), so daß Abgase auf
kürzestem Weg entweichen können.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch einen Wirbelschichtofen
bei einer Ausführungsform, bei der die Verwirbelung ausschließlich durch Einleitung
von Luft bewirkt wird, Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch einen Wirbelofen, bei
dem zur Unterstützung der Verwirbelung Vibratoren verwendet werden, Fig. 3 bis 5
Schnitte durch die Wirbelschichtöfen nach den Fig. 1 und 2 bei verschiedenen Ausführungsformen,
wobei Fig.3 einen Wirbelschichtofen von rechteckigem Querschnitt und mit einem über
die gesamte Ofentiefe sich erstreckenden
Zyklon, Fig. 4 einen Ofen
von rechteckigem Querschnitt und mit sich nur über einen Teil der Ofentiefe erstreckendem
Zyklon, Fig. 5 einen Ofen mit kreisrundem Querschnitt darstellt und Fig.6 einen
vertikalen Schnitt durch einen Ofen , der aus mehreren Elementaröfen zusammengesetzt
ist, die der Fig. 1 entsprechen.
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Der Ofen nach Fig. 1 hat eine Brennkammer 1, die quaderförmig (Fig.
3 und 4) oder auch zylindrisch ausgebildet sein kann (Fig.5). Zunächst sei angenommen,
daß es sich um eine Brennkammer mit einem Querschnitt gemäß Fig. 3 handelt.
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Im unteren Teil der Brennkammer 1 befinden sich Roste 2 und 3, die
von Lufteinblasöffnungen 4 durchbrochen sind.
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Die Roste 2, 3 sind ausgehend von den Seitenwänden 5, 6 der Brennkammer
1 zur Ofenmitte hin geneigt, die durch die strichpunktierte Linie 7 gekennzeichnet
ist. Unterhalb eines jedes Rostes befinden sich mehrere Luftkammern 8, 9 und 10,
in die Luftleitungen 11, 12 und 13 einmünden. In den Kammern 8, 9 und 10 werden
verschieden hohe Luftdrücke aufrechterhalten, so daß die Ausströmungsgeschwindigkeiten
der Luft aus den Lufteinblasöffnungen verschieden sind, je nachdem, über welcher
der Luftkammern 8, 9 und 10 diese Öffnungen liegen. Der Luftdruck nimmt von innen
nach außen ab, so daß in der Luftkammer 8 der höchste Druck herrscht.
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Auf den Rosten 2, 3 liegt eine verhältnismäßig dicke Schicht aus körnigem
Material, z.B. Sand, das durch die Einblasung der Luft in eine Art walzenförmige
Strömung versetzt wird. Die dabei entstehenden Wirbel 14 und 15 sind in der Zeichnung
durch Linien angedeutet, die das Strömungsmuster darstellen sollen.
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Die Wirbel 14, 15 werden in ihrem oberen Bereich durch Ablenkungswände
16 und 17 gelenkt. Diese Wände verlaufen
von der Ofenmitte 7 ausgehend
nach außen ansteigend und bewirken eine Führung der Wirbel 14 und 15. Die Ablenkungswände
16, 17 sind zugleich Bauteile eines insgesamt mit 18 bezeichneten Zyklons. Der Zyklon
18 hat einen Umlenkungsraum 19, der außer durch die Ablenkungswände 16, 17 durch
obere Wände 20, 21 begrenzt ist. Von oben her mündet in den Zyklon ein Zyklon-Zuführungsstutzen
22. Der Zyklon-Zuführungsstutzen 22 hat einen unteren Abschnitt 22a mit gleichbleibendem
Querschnitt und einen oberen Abschnitt 22b, der sich nach oben erweitert. Dieser
Erweiterungsabschnitt hat gewölbte Wände 23, 24.
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Aus dem Zyklon mündet ein Abgasrohr 25 aus, das vorzugsweise einen
kreisrunden Querschnitt hat. Der Querschnitt des Abgasrohres 25 ist sehr viel geringer
als der Querschnitt des Zyklon-Zuführungsstutzens 22, was auch aus den Fig. 3 bis
5 ersichtlich ist. Das Abgasrohr 25 mündet in einen Schornstein 26.
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Nach unten mündet aus dem Umlenkungsraum 19 des Zyklons ein Fallrohr
27 aus, das den Boden 28 der Brennkammer durchdringt und über das im Zyklon 18 ausgeschleuderte
Feststoffteile aus dem Zyklon herausfallen.
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Am Boden des Ofens befindet sich auch ein Schacht 29 für die Abführung
von unverbrennbaren Bestandteilen des Verbrennungsgutes, also in der Hauptsache
von Asche, die aus dem Wirbelschichtmaterial abgesondert wird. Diese Asche und dergleichen
wird auf ein Förderband 30 geleitet, wobei eine mit einem Rüttler 31 versehene Abzugsrinne
32 zwischen dem Schacht 29 und dem Förderband 30 angeordnet ist.
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An den Seitenwänden 5 und 6 befinden sich Zugabeöffnungen 33, 34,
denen Förderschnecken 35 zugeordnet sind. Über
diese Öffnungen
wird festes Verbrennungsgut zugegeben.
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In den Seitenwänden befinden sich weitere Zuführungsöffnungen 37,
38 für die Einführung von flüssigem oder pastösem Verbrennungsgut. Auch in der Decke
39 der Verbrennungskammer befindet sich eine Zuführungsöffnung 40, über die Verbrennungsgut
und/oder Sekundärluft zugeführt werden kann.
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Bei der bisher betrachteten Ausführungsform nach den Fig. 1 und 3
erstreckt sich der Zyklon 18 über die gesamte Tiefe T der Brennkammer 1. Auch der
Zyklon-Zuführungsstutzen erstreckt sich über die gesamte Ofentiefe. Bei der Ausführungsform
nach Fig. 4 hingegen hat der hier mit 18' bezeichnete Zyklon eine Breite B, die
geringer ist als die Tiefe T der Brennkammer. Der Zyklon 18' ist innerhalb der Brennkammer
1' ausgemittelt, so daß beiderseits des Zyklons gleichbreite Freiräume 41, 42 verbleiben.
An seinen Enden ist der Zyklon 18' und auch sein Zuführungsstutzen 22' durch bogenförmige
Wände 43 und 44 abgeschlossen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 hat die Brennkammer 1" eine kreisrunde
Querschnittsform, d.h. die Brennkammer insgesamt ist zylindrisch. Der Zyklon 18"
hat ebenfalls einen kreisrunden horizontalen Querschnitt. Die ihn unten begrenzenden
Ablenkungswände (entsprechend den Wänden 16 und 17 in Fig. 1) sind in diesem Falle
also gekrümmt und ergänzen sich zu einem Kegel. Auch die beiden Roste 2 und 3 bilden
zusammen einen Kegel. Der Zyklon-Zuführungsstutzen 22" hat einen wesentlich größeren
Durchmesser als das Abgasrohr 25".
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Der Wirbelschichtofen arbeitet wie folgt. Zunächst wird die Wirbelschicht
auf Zündtemperatur erhitzt. Hierbei wer-
den durch Einblasen von
Luft durch die Öffnungen 4 Wirbel 14 und 15 erzeugt. Die nötige Wärmeenergie wird
durch Einführen von Brennstoff., der in der Regel kein Abfall ist, sondern z.B.
Heizöl oder Gas, zugeführt. Wenn die Zündtemperatur von z.B. 600 bis 700 OC erreicht
ist, wird das Verbrennungsgut über die Öffnungen 33, 34 und/oder die Öffnungen 37/38
und eventuell auch durch die Öffnung 40 zugeführt. Das Gut verbrennt in der Wirbelschicht,
die überall die gleiche Temperatur hat. Asche fällt über den Schacht 29 und die
Abzugsrinne aus dem Ofen und wird über das Förderband 30 abtransportiert. Die Verbrennungsgase
gelangen in den Zyklon-Zuführungsstutzen 22, wie dies durch die Pfeile 44 und 45
angedeutet ist. Die große Öffnung des Zuführungsstutzens begünstigt den Eintritt
der Verbrennungsgase. Die Verbrennungsgase werden im (in Strömungsrichtung) konvergierenden
Teil 22b des Zuführungsstutzens beschleunigt und gelangen mit hoher Geschwindigkeit
in den Umlenkungsraum 19. Dort werden die Verbrennungsgase entsprechend den Linien
47, 48 um 1800 umgelenkt, wobei in den Verbrennungsgasen enthaltener Staub ausgeschleudert
wird. Er gleitet auf den schrägen Wänden 16, 17 nach unten in das Fallrohr 27. Die
weitgehend von Staub befreiten Verbrennungsgase gelangen über das Abgasrohr 25 in
den Schornstein 26.
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Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von den beschriebenen
Ausführungsformen nur durch. die Ausbildung der Roste. Die Roste sind hier mit 49»nd
50 bezeichnet.
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Die Roste sind jedoch in diesem Fall von der Ofenmitte 7 ausgehend
nach außen hin, also zu den Seitenwänden 51 und 52 hin geneigt. An den Rosten befinden
sich Vibratoren 53, die die Roste in Schwingung versetzen. Die Schwingungsbewegungen
werden in die Wirbelschicht eingeleitet und tragen zu der Fluidisierung bei.
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Unterhalb der Roste 49, 50 befinden sich zusammenhängende Luftkammern
54 und 55, in die über Leitungen 56, 57 Druckluft zugeführt wird. Die Druckluft
wird über Öffnungen in den Rosten 49, 50 ausgeblasen. Wegen der Fluidisierungswirkung
der Vibratoren 53 kann in diesem Fall darauf verzichtet werden, unterhalb jedes
Rostes mehrere Luftkammern mit verschiedenen Drücken vorzusehen.
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Unterschiedlich im Vergleich mit Fig. 1 ist auch die Abführung für
die Asche und andere unverbrennbare Bestandteile. Da die Roste 49, 50 nach außen
geneigt sind, befinden sich Abfuhröffnungen 58, 59 an den Außenwänden 51, 52.
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Der Ofen arbeitet hinsichtlich der Reinigung der Verbrennungsgase
im Zyklon gleich wie die bereits beschriebenen Ausführungsformen.
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Fig. 6 zeigt einen Ofen, der aus mehreren, im dargestellten Beispiel
aus drei,Elementaröfen E1, E2, E3 zusammengesetzt ist. Die Elementaröfen sind gleich
ausgebildet wie der Ofen nach den Fig. 1 und 3 oder nach den Fig. 1 und 4. Man kann
sich den Ofen nach Fig. 6 auf die Weise gebildet denken, daß Ofen nebeneinandergestellt
wurden und daß die einander berührenden Ofenwände entfernt wurden.
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Da der mittlere Elementarofen E2 keine zugänglichen Seitenwände hat,
sind zur Zuführung von Verbrennungsgut in der oberen Ofenwand 60 Zuführungsstutzen
61, 62 angeordnet, die sich an den Stellen befinden, an denen (in Gedanken) Ofenwände
weggelassen wurden. Über den Zuführungsstutzen 61 zugeführtes Verbrennungsgut wird
etwa gleichmäßig auf die Wirbel der Elementaröfen E1, E2 und über den Zuführungsstutzen
62 zugeführtes Verbrennungsgut etwa gleichmäßig auf die Wirbel 65, 66 der Elementaröfen
E2 und E3 verteilt.
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Für eine Anordnung nach Fig. 6 sind naturgemäß nur rechteckige Ofenquerschnitte
geeignet, also nicht ein Querschnitt, wie er in Fig. 5 dargestellt ist. Eine weitere
Erläuterung des Großofens nach Fig. 6 ist entbehrlich, da jeder Elementarofen so
arbeitet, wie dies anhand der Fig. 1 bereits erläutert wurde.
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