DE3872757T2 - Verfahren und anlage zur regelung des sammelwirkungsgrades des zyklons und des rueckfuehrungsgrades in wirbelschichtreaktoren. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtreaktor und insbesondere ein Verfahren und ein System zum Steuern der Zyklonabscheidungseffizienz und Recycelrate in einem Wirbelschichtreaktor.
• Wirbelschichtreaktoren wie Vergaser, Dampfgeneratoren, Combustoren usw. sind allgemein bekannt. In diesen Anordnungen wird Luft durch eine Schicht oder ein Bett aus partikelförmigem Material geleitet, das einen fossilen Brennstoff wie Kohle und ein Adsorbens für den als Folge der Kohleverbrennung erzeugten Schwefel umfaßt, um die Schicht zu fluidisieren und die Verbrennung des Brennstoffs auf einer relativ geringen Temperatur zu fördern. Die mitgerissenen partikelförmigen Feststoffe werden extern von der Schicht abgetrennt und zurück in die Schicht geführt. Von der fluidisierten Schicht erzeugte Wärme wird in mannigfaltigen Anwendungen ausgenutzt, woraus eine attraktive Kombination hoher Wärmefreisetzung, hoher Schwefelabsorption, geringen Stickoxidemissionen und Brennstoffflexibilität resultieren.
• Der meist typische Wirbelschichtreaktor wird gemeinhin als "Blasen"-Wirbelschicht bezeichnet, in welchem die Schicht aus partikelförmigem Material eine relativ hohe Dichte und eine wohldefinierte oder diskrete Oberfläche aufweist.
• Bei einem Versuch, die Verbesserungen in der Verbrennungseffizienz, Schadstoffemissionssteuerung und vom Blasenbett erbrachter Lastabsenkung auszudehnen, ist ein Wirbelschichtreaktor entwickelt worden, der einen Prozeß mit einer "zirkulierenden" Wirbelschicht verwendet. Gemäß diesem Prozeß liegt die Wirbelschichtdichte deutlich unter der einer typischen Blasenwirbelschicht, die Luftgeschwindigkeit ist größer als die eines Blasenbetts und die Abgase, die durch die Schicht strömen, reißen einen wesentlichen Anteil an partikelförmigen Feststoffen mit und sind im wesentlichen hiermit gesättigt.
• Auch ist die zirkulierende Wirbelschicht durch eine relativ hohe Feststoffrückführung gekennzeichnet, die sie unempfindlich gegen Brennstoffwärmefreisetzungsmuster macht, wodurch Temperaturvariationen minimiert werden und infolgedessen die Stickoxidbildung gemindert wird. Auch verbessert die hohe Feststoffrückführung die Effizienz der mechanischen Vorrichtung, die zur Abtrennung des Gases von den Feststoffen für die Feststoffrückführung verwendet wird. Die resultierende Zunahme in den Schwefeladsorbens- und Brennstoffverweilzeiten reduziert den Verbrauch an Adsorbens und Brennstoff.
• Die meisten der Auslegungen der zirkulierenden Schicht, die gegenwärtig eingesetzt werden, steuern die Last durch Regulieren der Feststoffrückführungsrate und einige versuchen dies durch Reduzieren des Feststofflagerbestands vom Abschlußtopf, d. h. vom Abschluß- oder Dichtesystem, das zwischen dem Auslaß der externen Abscheidevorrichtungen und dem Recyceleinlaß in die fluidisierte Schicht liegt. Jedoch muß dies normalerweise mit einem Dosierkühler bewerkstelligt werden wie in einer wassergekühlten Schnecke, wodurch eine mechanische Komplexität und Kostenerhöhungen zusätzlich zur erforderlichen Handhabungsausrüstung auf der Abstromseite hinzukommen.
• Die vorliegende Erfindung sieht Mittel vor, durch die die Zyklonabscheideeffizienz und die Recycelrate in einem Wirbelschichtsystem gesteuert werden können. Sie vermeidet die Notwendigkeit für eine Dosiervorrichtung, und es ist eine abstromseitige Handhabungsausrüstung vermieden. Sie sieht ferner Mittel vor, durch die die Feststoffbestandssteuerung bezüglich des Wirbelschichtsystems intern erzielt werden kann.
• Die EP-A-0,156,703 offenbart ein System mit Wirbelschichtverbrennung, in dem partikelförmiges Material zwischen einem Ofenabschnitt und einem Abscheider zirkuliert wird. Es wird auch auf die US-A-4,526,678 verwiesen, die einen Abscheider der Art eines Zyklons offenbart. Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein zirkulierendes Wirbelschichtverbrennungssystem, das Einrichtungen zum Einleiten fluidisierender Luft in das Bett mit einer zur Ausbildung einer zirkulierenden Schicht ausreichenden Geschwindigkeit umfaßt und einen Zyklonabscheider enthält, der eine Mischung aus Abgasen und aus der Wirbelschicht mitgerissenem partikelförmigem Material empfängt und das mitgerissene partikelförmige Material von diesen Abgasen trennt, Einrichtungen, die die abgetrennten Abgase einer Wärmerückgewinnungseinheit zuleiten und Einrichtungen, die abgetrenntes, partikelförmiges Material zurück in die Schicht leiten. Gemäß der Erfindung sind Einrichtungen vorgesehen, die in einen unteren Abschnitt des Abscheiders Gas ein bringen, um zumindest einen Teil des partikelförmigen Materials darin mitzureißen und dasselbe zur Rückgewinnungseinheit zu leiten.
• Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Betreiben eines Dampfgenerators gerichtet, der ein Verbrennungssystem der obigen Art aufweist, worin Luft in einen unteren Teil des Abscheiders eingebracht wird, um einen Teil des partikelförmigen Materials im Abscheider mitzureißen und es zur Wärmerückgewinnungseinheit zu leiten. Die Abnahme der feinen Feststoffe im Abscheider zu einem Wärmerückgewinnungsbereich ermöglicht, daß der Feststoffbestand im System wie erforderlich reduziert werden kann.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun beispielhalber und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung erläutert, die eine schematische Darstellung, welche ein solches System repräsentiert, ist.
• Unter spezieller Bezugnahme auf die Zeichnung bezeichnet die Bezugszahl 10 insgesamt einen Wirbelschichtreaktorkessel, der ein Luftplenum 12 umfaßt, das an seinem unteren Endabschnitt zur Aufnahme von Luft von einer internen Quelle angeordnet ist. Eine perforierte Platte oder Gitter 14 ist an der Trennschicht zwischen dem unteren Ende des Kessels 10 und dem Luftplenum 12 vorgesehen, um zu ermöglichen, daß unter Druck stehende Luft vom Plenum nach oben durch den Kessel 10 strömt. Ein Einlaß 16 oder Eintrag ist durch eine der Seitenwände des Kessels 10 hindurch vorgesehen, um ein partikelförmiges Material in das Bett einzutragen, das relativ feine Partikel aus Kohle und einem Adsorbensmaterial wie Kalkstein zur Adsorption des während der Verbrennung der Kohle erzeugten Schwefels in einer bekannten Weise umfassen kann. Die Luft vom Plenum 12 fluidisiert das partikelförmige Material im Kessel 10 in einer weiter unten detailliert zu beschreibenden Weise.
• Ein Zyklonabscheider 18 ist angrenzend an den Kessel 10 vorgesehen und ist hieran über eine Leitung 20 angeschlossen, die sich von einer Öffnung, die im oberen Bereich der Kesselrückwandung ausgebildet ist, zu einer Einlaßöffnung erstreckt, die im oberen Abschnitt des Abscheiders 18 ausgebildet ist. Der Abscheider 18 nimmt die Abgase und das mitgerissene partikelförmige Material von der Wirbelschicht im Kessel 10 auf und arbeitet in einer konventionellen Weise, um das partikelförmige Material aufgrund der im Abscheider erzeugten Zentrifugalkräfte von den Abgasen abzutrennen. Die abgetrennten Abgase strömen über eine Leitung 22 unter der Wirkung eines Saugzuggebläses 25, das am stromabwärtigen Ende eines Wärmerückgewinnungsbereichs angeschlossen ist, in diesen Wärmerückgewinnungsbereich, der insgesamt durch die Bezugszahl 24 angezeigt ist. Die abgetrennten Feststoffe vom Abscheider 18 strömen in eine abwärts geführte Leitung 26, die am Auslaß des Abscheiders angeschlossen ist. Die abwärtsgeführte Leitung 26 erstreckt sich in einen relativ kleinen Kessel 28, der ein Luftplenum 32 aufweist, das an seinem unteren Endabschnitt vorgesehen ist, um von einer externen Quelle empfangene Luft durch ein Gitter 32 und in das Innere des Kessels 28 einzuleiten. Eine Leitung 34 verbindet den Kessel 28 mit dem Kessel 10, so daß das partikelförmige Material vom Kessel 28 in das Innere des Kessels 10 strömt sowie in das darin ausgebildete Wirbelbett.
• Ein Rohr 36 zur Aufnahme von Abgas oder Luft ist an einen Einlaßverteiler 38 angeschlossen, der sich zwischen der abwärtsgeführten Leitung 26 und einer Auslaßöffnung erstreckt, die im Trichterabschnitt des Abscheiders 18 vorgesehen ist. Da der Abscheider 18 infolge der Wirkung des Saugzuggebläses 25 unter einem Teilvakuum arbeitet, werden Umgebungsluft oder Abgas von einem zum letzteren Gebläse stromabwärtigen Punkt durch das Rohr 36 in den Abscheider gezogen. Ein Ventil 40 ist im Rohr 36 zur Steuerung der Strömungsrate des Gases oder der Luft, die in die Verzweigung 38 strömen, vorgesehen.
• In Betrieb wird partikelförmiges Brennstoffmaterial vom Einlaß 16 in den Kessel 10 eingeleitet, und es kann ein Adsorbensmaterial ebenfalls in einer ähnlichen Weise je nach Bedarf eingebracht werden. Unter Druck stehende Luft von einer externen Quelle strömt in das Luftplenum 12 und durch dieses hindurch, durch das Gitter 14 und in das partikelförmige Material im Kessel 10, um das Material zu fluidisieren.
• Ein (nicht dargestellter) Abschaltbrenner oder dergleichen ist im Kessel 10 angeordnet und wird zur Entzündung des partikelförmigen Brennmaterials angezündet. Wenn die Temperatur des Materials einen relativ hohen Pegel erreicht, wird zusätzlicher Brennstoff vom Einlaß 16 in den Kessel 10 eingetragen.
• Das Material im Kessel 10 brennt durch die warme im Kessel selbst ab, und die Mischung aus Luft und gasförmigen Verbrennungsprodukten (im folgenden als "Abgase" bezeichnet) strömt durch den Kessel 10 nach oben und reißt das relativ feine partikelförmige Material im Kessel mit oder schlämmt dieses. Die Geschwindigkeit der über das Luftplenum 12 durch das Gitter 14 und in das Innere des Kessels 10 eingeleiteten Luft wird entsprechend der Größe des partikelförmigen Materials im Kessel so eingestellt, daß eine zirkulierende Wirbelschicht in jeder Kammer gebildet wird, d. h. daß partikelförmiges Material auf ein Ausmaß fluidisiert ist, daß ein Mitreißen oder Schlämmen des partikelförmigen Materials im Bett im wesentlichen erzielt wird. Auf diese Weise sind die in den oberen Abschnitt des Ofens strömenden Abgase im wesentlichen mit dem partikelförmigen Material gesättigt. Die gesättigten Abgase strömen in den oberen Abschnitt des Kessels und treten in die Leitung 20 aus und strömen in den Zyklonabscheider 18. Im Abscheider 18 wird partikelförmiges Feststoffmaterial von den Abgasen getrennt, und das erstere wird über die nach unten geführte Leitung 26 in den Abschlußkessel 28 injiziert. Die gereinigten Abgase vom Abscheider 18 treten durch die Leitung 22 zur weiteren Behandlung in den Wärmerückgewinnungsabschnitt 24 aus.
• Vom Abschlußkessel 28 strömen die abgetrennten Feststoffe normalerweise über die Leitung 34 durch die hintere Wand des Kessels 10 und in die fluidisierte Schicht im Kessel, wo sie sich mit den anderen Feststoffen im Kessel mischen, und werden in der oben diskutierten Weise behandelt. Luft wird über das Plenum 30 und das Gitter 32 injiziert, um das partikelförmige Material im Kessel 28 leicht zu fluidisieren und so gegenüber einer Rückströmung von Abgasen aus dem Kessel 10 durch die Leitung 34 und in den Abscheider 18 in einer der oben beschriebenen normalen Systemströmung entgegengesetzten Richtung abzudichten.
• Gemäß einem Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung strömen unter Druck stehende Luft von einer externen Quelle oder Abgase vom Wärmerückgewinnungsabschnitt 24 durch das Rohr 36 und in die Abzweigung 38 unter der Steuerung des Ventils 40. Die Luft oder Abgase von der Abzweigung 38 strömen in das Innere des Abscheiders 18 nach oben und interferieren mit dessen Betrieb und reduzieren so die Menge der Abscheidung der Feststoffe aus den Abgasen, die aus der Leitung 20 aufgenommen werden. Zusätzlich ermöglichen die Luft oder Abgase, die in den Abscheider 18 eintreten, daß ein Teil des partikelförmigen Feststoffmaterials im Abscheider in den Abgasen, die in den Abscheider 18 eintreten, über die Leitung 20' erneut mitgerissen wird und durch die Leitung 22 und in den Wärmerückgewinnungsbereich 24 strömt. So kann durch Variieren der Öffnung des Ventils 40 die Feststoffinjektion in den Kessel 10 vom Abscheider 18 wie erforderlich proportional gesteuert werden, um die Recycelrate entsprechend der gewünschten partikelförmigen Beschickung zu regulieren. Dies ermöglicht, daß die Beschickung des Reaktors ohne die Verwendung kostspieliger komplexer Dosiervorrichtungen und stromabwärtigen Handhabungsausrüstungen variiert werden kann, und so werden die Kosten des Systems beträchtlich herabgesetzt.
• Es versteht sich, daß die vorausgegangene Beschreibung sich auf ein Ausgleichsströmungssystem bezieht, daß jedoch auch ein Zwangsströmungsbetrieb unter Verwendung von unter Druck gesetzter Luft oder in das Rohr 36 eintretender Gase einsetzbar ist. Auch kann anstelle des Betreibens vom Ventil 49 durch eine Proportionalsteuerung, wie oben diskutiert, das Ventil durch eine Rastwirkung, d. h. eine Ein-Aus-Betätigung in üblicher Weise gesteuert werden.

Claims (5)

1. Verbrennungssystem mit zirkulierender Wirbelschicht, aufweisend Einrichtungen (12, 14) zum Einleiten fluidisierender Luft in das Bett mit einer zur Ausbildung einer zirkulierenden Schicht ausreichenden Geschwindigkeit, und enthaltend einen Zyklonabscheider (18), der eine Mischung aus Abgasen und aus der Wirbelschicht mitgerissenem partikelförmigem Material empfängt und das mitgerissene partikelförmige Material von diesen Abgasen trennt, Einrichtungen, die die abgetrennten Abgase einer Wärmerückgewinnungseinheit (24) zuleiten, und Einrichtungen, die abgetrenntes partikelförmiges Material zurück in die Schicht leiten, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (36, 38, 40) vorgesehen sind, die Gas in einen unteren Abschnitt des Abscheiders (18) einbringen, um zumindest einen Teil des partikelförmigen Materials darin mitzureißen und dasselbe zur Wärmerückgewinnungseinheit zu leiten.

2. Verbrennungssystem nach Anspruch 1, aufweisend Einrichtungen (30, 32), die Strömung von Gasen aus der Schicht in den Abscheider (18) in einer Richtung entgegengesetzt zur Strömungsrichtung von Abgasen und partikelförmigem Material durch den Abscheider (18) verhindern.

3. Verbrennungssystem nach Anspruch 2, in welchem die verhindernden Einrichtungen einen Behälter (28), der abgetrenntes partikelförmiges Material aus dem Abscheider (18) empfängt, und Einrichtungen (30, 32) aufweisen, die in den Behälter Luft einleiten, um darin abgetrenntes partikelförmiges Material zu fluidisieren.

4. Verfahren zum Betreiben eines Dampfgenerators, der eine zirkulierende Wirbelschicht aufweist, welches Verfahren den Austrag einer Mischung von Abgasen und mitgerissenem partikelförmigem Material aus der Wirbelschicht in einen Zyklonabscheider (18) umfaßt; die Abtrennung mitgerissenen partikelförmigen Materials aus den Abgasen der Mischung im Abscheider; die Leitung der abgetrennten Abgase zu einer Wärmerückgewinnungseinheit (24) und die Leitung des abgetrennten partikelförmigen Materials zurück in die Wirbelschicht, dadurch gekennzeichnet, daß Luft in einen unteren Teil des Abscheiders (18) eingebracht wird, um einen Teil des partikelförmigen Materials im Abscheider mitzureißen und es zur Wärmerückgewinnungseinheit (24) zu leiten.

5. Verfahren nach Anspruch 4, umfassend den Schritt der Verhinderung der Strömung von Gasen aus der Schicht in den Abscheider in einer Richtung entgegengesetzt zur Strömungsrichtung von Abgasen und partikelförmigem Material durch den Abscheider (18).