DE3517987C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wirbelschicht­ reaktor der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Art.

Ein derartiger Wirbelschichtreaktor ist aus der EP 00 93 063 A1 bekannt. Die bekannte Ausführungsform zeigt einen außerhalb der Brennkammer des Wirbelschichtreaktors angeordneten, als Zyklon ausgebildeten Abscheider, von welchem zwei Zweigleitungen für die Rückführung von ab­ geschiedenen Feststoffen in die Brennkammer ausgehen. In einer der Zweigleitungen ist ein Wärmetauscher ange­ ordnet. Die Darstellung der EP 00 93 063 A1 ist eindeutig auf eine Anlage mit außerhalb der Reaktorkammer liegender Ab­ scheide- und Rückführanordnung gerichtet. Eine solche An­ ordnung ist konstruktiv relativ aufwendig, und es ist auch die Regelung des Reaktionsablaufs nicht einfach. In der Brennkammer ist nämlich besonders dann, wenn verschiedene Brennstoffe mit unterschiedlichen Heizwerten verfeuert werden sollen, eine Temperaturregelung zur Erzielung einer optimalen Verbrennung notwendig. Um die beste Schwefel­ absorption zu erreichen, sollte die Temperatur im Bereich von 800°C bis 950°C gehalten werden. Dies erweist sich bei den bekannten Ausführungsformen als nicht einfach.

Erfolgt die Regelung der Verbrennungstemperatur eines Wirbelschichtreaktors über die Rückführung von Rauchgasen in den Reaktor GB 20 30 689 A, wächst infolge des erhöhten Gasdurchsatzes der gesamte Leistungs­ bedarf des Wirbelschichtreaktors, was einen Anstieg der Investitions- und Betriebskosten zur Folge hat.

Eine Veränderung der Suspensionsdichte im Bereich der Wärmeübertragungsflächen wirkt sich auf die über­ tragbare Wärmemenge und damit auch auf die Temperatur in der Brennkammer aus. Die Suspensionsdichte läßt sich, wie in der US-PS 41 65 717 dargestellt, durch eine Ver­ änderung des Verhältnisses Sekundärluft/Primärluft und deren Mengen einstellen. Der Einstellbereich ist jedoch begrenzt, weil durch eine Veränderung des Verhältnisses Sekundärluft/ Primärluft auch andere Prozeßparameter als die Temperatur beeinflußt werden.

Die Regelung der Verbrennungstemperatur durch Rück­ kühlung des Wirbelbettmaterials in einem externen Wärme­ tauscher, wie es die US-PS 41 11 158 vorsieht, ist ein komplizierter und schwer zu überwachender Prozeß. Dieses Temperraturregelverfahren ist mit zusätzlichen Investitions- und Betriebskosten verbunden, weil dabei ein getrenntes, mit Kühlflächen ausgestattetes Wirbelbett parallel zum Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender Wirbelschicht benötigt wird.

Aus der US-PS 42 40 377 ist ein Temperaturregelver­ fahren für Wirbelschichtreaktoren bekannt, bei dem ein Teil des auf dem Rost befindlichen Bettmaterials zur Aufwärtsströmung durch einen Wärmetauscher veranlaßt wird, von wo er abgekühlt in das Wirbelbett zurückgeleitet wird.

Auch dieses Verfahren bedeutet zusätzliche Investitions- und Betriebskosten.

Die Einstellung der Verbrennungstemperatur durch In­ aktivierung eines Teils des Wirbelbettes, wie es in der US-PS 39 70 011 dargestellt ist, hat sich in der Praxis als schwierig erwiesen, weil sie unter anderem Errosion der Wärmeaustauschflächen des Wirbelbettes sowie Sintern des Bettmaterials hervorruft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungs­ gemäßen Wirbelschichtreaktor so auszugestalten, daß bei geringem konstruktiven Aufwand eine betriebssichere Regelung der Verbrennungstemperatur bei veränderlicher Reaktorbe­ lastung oder veränderlichen Heizwert des Brennstoffs möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiederge­ gebene Erfindung gelöst.

Wenn ein Teil der mit einer Wärmetauscheranordnung versehenen und dadurch kühlbaren Rücklaufkanäle teilweise oder ganz abgesperrt wird, verringert sich der gekühlte Anteil der gesamten in dem Wirbelschichtreaktor zurück­ geführten Feststoffmenge, d.h., es hat im Mittel diese Feststoffmenge eine höhere Temperatur, wodurch auch die Brennkammertemperatur erhöht wird, falls die übrigen Prozeßparameter unverändert bleiben. Werden hingegen ge­ kühlte Rücklaufkanäle zusätzlich geöffnet, wird der Anteil an gekühltem zurückgeführtem Feststoff größer und die Temperatur in der Brennkammer herabgesetzt.

Die Rückführkanäle in der Wandung des Wirbelschicht­ reaktors können nicht unerhebliche Mengen an abgeschiedenem Feststoff zur Beeinflussung des Reaktionsverlaufs speichern, so daß der Regelbereich der Brennkammertemperatur gegenüber den bekannten Ausführungsformen erweitert ist. Die Konstruktion ist einfach und betriebssicher und bedingt weder zu­ sätzlichen Raumbedarf noch zusätzliche Investions- oder Betriebskosten. Die Steuerung ist einfach.

In den Ansprüchen 2 und 3 sind alternative Aus­ führungsformen der Einstellvorrichtungen für die rück­ geführte Feststoffmenge wiedergegeben.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er­ findung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung im Vertikalschnitt;

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung im Vertikalschnitt;

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie B-B in Fig. 3.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte, als Dampfkessel arbeitende Wirbelschichtreaktor besteht aus einer Brennkammer 5, die durch vier aus verschweißten Rohren gebildete Wände 1, 2, 10 begrenzt ist. Die Rohre bilden Wärmeübertragungsflächen des Kessels und sind an den Kesselkreislauf auf eine nicht näher beschriebene Weise angeschlossen.

Im unteren Teil der Brennkammer 5 befindet sich ein Brennstoffzulauf 6. Er enthält ferner einen Eintrittskanal 7 für das Primärgas und einen Eintrittskanal 8 für das Sekundär­ gas.

Oberhalb der Brennkammer 5 ist ein horizontaler Zyklon­ abscheider 9 ausgebildet. Der Zyklonabscheider umfaßt die Vorder- und Hinterwand 1 bzw. 10 der Brennkammer 5 sowie eine zur hinteren Brennkammerwand 10 parallele, innerhalb dieser gelegene Rohrwand 3. Die vordere Wand 1 der Brenn­ kammer 5 und die Rohrwand 10 sind gegeneinander gebogen und miteinander dermaßen verbunden, daß sie einen zylin­ drischen Oberteil 11 des Zyklonabscheiders 9 bilden. Die Wand 3 ist zuerst gegen die Vorderwand 1 gebogen, so daß sie die Decke 12 der Brenn­ kammer 5 bildet, wonach sie parallel zum zylindrischen Teil der Vorderwand 1 verläuft und mit dieser die Innen­ und Außenwand 14 bzw. 15 des Gaseintrittskanals 13 des Zyklonabscheiders 9 bildet.

Die Hinterwand 10 der Brennkammer 5 und die zu ihr parallele Rohrwand 3 bilden zwei einander gegenüberliegende, als Wärmeaustauschflächen wirkende Wände, zwischen denen den Zyklonabscheider 9 mit dem Brennkammer-Unterteil verbindende Rücklaufkanäle 16 ausgebildet sind.

Die Rücklaufkanäle sind mittels Trennwänden 17 in parallel wirkende Einheiten geteilt. An den Stirnwänden 18 des Zyklonabscheiders 9 sind Gasaustrittsöffnungen 19 an­ geordnet.

Die die Brennkammer 5 verlassenden, Feststoff ent­ haltenden, Rauchgase werden in die Wirbelkammer 20 des Zyklonabscheiders 9 durch den tangential in sie einmünden­ den Gaseintrittskanal 13 eingeleitet.

Der am Außenumfang der Wirbelkammer 20 angereicherte Feststoff tritt vom Gasstrom gefördert aus der Wirbelkammer 20 über einen zwischen den Wänden 3 und 10 gebildeten Schacht 21 aus und wird über die Rücklaufkanäle 16 der Brennkammer 5 wieder zugeführt. Die gereinigten Gase fließen durch Öffnungen 19 in den Stirnwänden der Wirbelkammer 20 ab.

Das untere Ende des jeweiligen Rücklaufkanals 16 ist als U-förmige Schwebekammer 22 ausgebildet, der Luft durch ein Rohr 23 zugeführt werden kann. Wird in die Schwebekammer 22 keine Luft eingegeben, wirkt sie als Sperre, wobei der betreffende Rücklaufkanal 16 gefüllt wird, und der in die Brennkammer 5 zurückzuleitende Feststoff die übrigen Rücklaufkanäle 16 durchläuft. Der den Rücklaufkanal 16 durchfließende Fest­ stoffstrom kann auch geregelt werden, indem die Menge der in die Schwebekammer 22 eingeführten Luft mit einem Ventil 24 eingestellt wird. Dadurch kann erreicht werden, daß durch die Rücklaufkanäle 16 unterschiedlich große Feststoffmengen fließen. Wenn ein Teil der Rücklaufkanäle 16 abgesperrt gehalten wird, wird darin ein Teil des im Wirbelschicht­ reaktor umlaufenden Feststoffes gespeichert. Der im Rück­ laufkanal 16 gespeicherte Feststoff kann durch Verstellung der Luftzufuhr kontrolliert in die Brennkammer 5 zurückge­ führt werden. Auf diese Weise kann auf die Suspensions­ dichte des Feststoffes in der Brennkammer 5 und damit auf den Wärmeübergang auf die Wärmeaustauschflächen der Brenn­ kammer 5 eingewirkt werden.

Weil der Feststoff durch sein Eigengewicht und vom Gasstrom mitgeführt in dem jeweiligen Rücklaufkanal 16 abwärts fließt, werden in der Schwebekammer 22 nur geringe Luftmengen zur Offenhaltung des Rücklaufkanals 16 benötigt.

Bei der in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform ist am oberen Ende jedes Rücklaufkanals 116 des Abscheiders 109 eine Regelklappe 122 angeordnet, mit der sich die den Rücklaufkanal 116 durchfließende Feststoffmenge einstellen bzw. völlig absperren läßt. Vom unteren Ende des Rücklauf­ kanals strömt der Feststoff frei in die Brennkammer 5 des Reaktors. Im übrigen entspricht der Aufbau des Reaktors den Fig. 1 und 2.

Beispiel 1

In einem als Dampfkessel arbeitenden Wirbelschichtreaktor gemäß Fig. 1 und 2 wurden Kohlen mit einem effektiven Heiz­ wert von 28 MJ/kg, bei einer Nenn-Dampfleistung von 65 MW des Kessels und einer Temperatur von 880°C verfeuert. Über die 185 m² Heizfläche der Brennkammer 5 und 120 m² Heizfläche der sechs parallelen Rücklaufkanäle 16 wurden 40 MW Wärme wiedergewonnen.

Bei 20 MW Dampfleistung, d.h. einer Belastung von ca. 30% wurde die gleiche Temperatur wie bei der Nennleistung durch Absperrung von drei Rücklaufkanälen 16 erreicht.

Beispiel 2

Im gleichen Wirbelschichtreaktor wie im Beispiel 1 wurde Torf mit einem effektiven Heizwert von 8 MJ/kg bei einer Nenndampfleistung von 65 MW verfeuert. Um die Verbrennungs­ temperatur auf ca. 870°C einzustellen, wurde die Kühlung der Rücklaufkanäle 16 durch Absperrung von vier Rücklauf­ kanälen 16 reduziert, wobei der Feststoff durch den zweiten und fünften Rücklaufkanal 16 in die Brennkammer 5 ge­ leitet wurde. Dabei wurden im Wirbelschichtreaktor und an den Rücklaufkanälen 30 MW Wärme wiedergewonnen.

Claims (3)

1. Wirbelschichtreaktor
mit einer Brennkammer, die die Wirbelschicht aufnimmt und von unten nach oben von Gasen durchströmt ist,
mit einem mit dem oberen Teil der Brennkammer ver­ bundenen Abscheider für die mit den Gasen aus der Wirbel­ schicht ausgetragenen Feststoffe,
mit mehreren parallel arbeitenden Kanälen zur ge­ regelten Rückführung mindestens eines Teils der in dem Abscheider von den Gasen abgeschiedenen Feststoffe in den unteren Teil der Brennkammer,
und mit einer Wärmetauscheranordnung in mindestens einem der Rückführkanäle, die auf die in diesem Rückführ­ kanal befindlichen abgeschiedenen Feststoffe zur Regelung der Temperatur des Wirbelbettes einwirkt,
dadurch gekennzeichnet,
daß einer Wandung (10) des Wirbelschichtreaktors innen eine weitere Wandung (3) parallel gegenüberliegt,
daß zwischen den Wandungen (10, 3) durch Trennwände (17) die Rückführkanäle (16, 116) ausgebildet sind,
daß mindestens bei einem Teil der Rückführkänale (16, 116) die Wandungen (10, 3) als Rohrwandungen ausgebildet sind,
daß mindestens ein Teil der Rückführkanäle (16, 116) Vorrichtungen zur Einstellung der durch den betreffen­ den Kanal fließenden Feststoffmenge aufweist
und daß der Abscheider (9) durch zur Ausbildung einer Wirbelströmung mit horizontaler Drehachse gebogene Rohr­ wände (12, 14, 15) oben in der Brennkammer (5) gebildet ist und die abgeschiedenen Feststoffe unmittelbar in das obere Ende der Rückführkanäle (16) abgibt.

2. Wirbelschichtreaktor gemäß Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß am oberen Ende der Rücklaufkanäle (116) Klappen (122) zur Regelung der durchgesetzten Feststoff­ menge angeordnet sind.

3. Wirbelschichtreaktor gemäß Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß am unteren Ende der Rücklaufkanäle (16) Schwebekammern (22) mit Luftzufuhrvorrichtungen zur Regelung der durchgesetzten Feststoffmenge angeordnet sind.