DE4142814A1 - Auf umlaufmassentechnik basierendes verfahren zum abkuehlen von gasen und beim verfahren verwendbarer umlaufmassenkuehler - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abkühlen von Gasen durch Verwendung von Umlaufmassentechnik, bei welchem Verfahren ein Gas durch eine von einer Umlaufmasse gebildete Wirbel­ schicht so geleitet wird, daß ein Teil der Umlauf­ masse mit der Gasströmung fließt, wobei die mit der Gasströmung fließende Umlaufmasse von der Gasströmung getrennt und in die Wirbelschicht zurückgeführt wird, und bei welchem Verfahren die Abkühlung wenigstens teilweise durch Abkühlen des zurückzuführenden Um­ laufmassenstroms ausgeführt wird. Die Erfindung be­ zieht sich auch auf einen Umlaufmassenkühler zum Ab­ kühlen eines Gases, welcher Kühler Organe zum Zufüh­ ren des abzukühlenden Gases dem Kühler, einen Auslaß­ kanal zum Ableiten des abgekühlten Gases, partikel­ förmige Umlaufmasse, die eine Wirbelschicht im Unter­ teil des Kühlers bildet und mit dem Gas bis zum Aus­ laßkanal fließt, wenigstens einen Rückkanal zum Zu­ rückführen der Umlaufmasse in die Wirbelschicht und wenigstens ein Kühlelement zum Abkühlen des Gasstroms und der Umlaufmasse aufweist.

Umlaufmassentechnik (UM-Technik) wird allgemein auf Verbrennungs- und Vergasungprozesse angewendet. Der wesentliche Vorteil der UM-Technik den übrigen Reaktionstypen gegenüber ist eine ausgezeichnete Ma­ terialbewegung und Wärmeübertragung zwischen Parti­ keln und Gas. Durch Verwendung einer ausreichenden Gasgeschwindigkeit wird ein beinahe isothermischer Zustand im Reaktor bewirkt. Dies erleichtert die Be­ herrschung der Verbrennungs- und Vergasungsprozesse wesentlich.

In der finnischen Patentanmeldung 8 13 717 wird auch eine Anwendung der UM-Technik auf Wärmerückge­ winnung von Schmelzen und/oder Dämpfe enthaltenden Gasen beschrieben. In der Lösung dieser Schrift wird ein Prozeßgas mittels die Gasströmung direkt abküh­ lender Kühlelemente abgekühlt, und die mit der Gas­ strömung getriebene Umlaufmasse wird in einem aus einem Auslaßkanal des Gases an die Seite der Wir­ belschicht leitenden Kanal in die Wirbelschicht zu­ rückgeführt. Ein Nachteil dieser Lösung besteht dar­ in, daß die Regelung der Gastemperatur und, besonders wenn eine bestimmte Auslaßtemperatur erwünscht wird, die Funktion der direkt in der Gasströmung befind­ lichen Kühler nicht effizient genug sind und der Funktionsbereich der Apparatur somit verhältnismäßig schmal ist. Außerdem ist die Abkühlung der mit der Gasströmung fließenden Partikeln in einem Kühler die­ ser Art nicht effizient genug, weshalb sie bei Rück­ kehr in die Wirbelschicht verhältnismäßig heiß sind, was die Funktion der Anordnung weiter abschwächt.

Für einen Umlaufmassenkühler (UM-Kühler) ist es wesentlich, daß ein umlaufender Feststoffstrom unab­ hängig von der Nennlast der Anordnung geregelt werden kann. Bei mehreren Prozessen ist es weiter erwünscht, daß die Temperatur des Reaktors innerhalb eines wei­ ten Belastungsbereichs konstant bleibt. Besonders wichtig ist das bei Anwendungen, bei denen die che­ mische Kinetik eine Betätigung in einem schmalen Tem­ peraturbereich voraussetzt. Bei bekannten Anwendungen der UM-Technik ist dies nicht möglich.

Es ist an sich bekannt, daß der Rücklauf eines umlaufenden Partikelstroms abgekühlt wird. Im US-Pa­ tent 41 65 717 wird z. B. ein separater, auf blasen­ bildender Wirbelschichttechnik basierender Wärmeüber­ trager beim Rücklauf verwendet. Dabei muß u. a. ein separater Schwebegasstrom verwendet werden, der eine nachteilige Wirkung auf die Funktion eines Zyklons hat. Die praktische Lösung der Ausführung ist auch kompliziert, und die Regelung des Prozesses dabei ist beschwerlich zu beherrschen. In einigen Fällen ist es übrigens zweckmäßig gewesen, einen Rückkanal abge­ kühlt zu konstruieren, wobei im allgemeinen ein ziem­ lich kleiner Teil der Abkühlung im Rückkanal stattge­ funden hat. Diese Lösungen sind sowohl kompliziert als auch beschwerlich auszuführen, und die Regelbar­ keit ist dabei gleichfalls ziemlich gering und der Funktionsbereich schmal.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Umlaufmassenkühler zustandezubringen, bei denen die Auslaßtemperatur eines zu behandelnden Gasstroms unabhängig von der Belastung der Anordnung in weiten Grenzen geregelt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist da­ durch gekennzeichnet, daß die Abkühlung wesentlich ganz durch Abkühlen des aus einem Gasströmungskanal zurückzuführenden Umlaufmassenstroms mittels eines von der Umlaufmasse getrennten Kühlmittels in einem separaten Wärmeübertrager ausgeführt wird, wobei die Abkühlung des Gasstroms mittels des in die Wirbel­ schicht zurückkommenden Umlaufmassenstroms stattfin­ det, der eine niedrigere Temperatur hat als die Wir­ belschicht. Der erfindungsgemäße Umlaufmassenkühler ist dadurch gekennzeichnet, daß er einen als Kühlele­ ment fungierenden Wärmeübertrager aufweist, durch den abkühlendes Medium geleitet wird, daß alle Rückkanäle zum Zurückführen der Umlaufmasse in die Wirbelschicht durch den Wärmeübertrager laufen, so daß die zurück­ kommende Umlaufmasse getrennt von dem abkühlenden Me­ dium im Wärmeübertrager abgekühlt wird, daß unterhalb des Kühlers ein mit einer Öffnung versehener Ver­ schlußraum vorgesehen ist, in dem die zurückkommende Umlaufmasse kontinuierlich eine pfropfenartige Schicht bildet und das Gas daran hindert, durch die Rückkanäle in den Auslaßkanal des Gases zu strömen.

Für die Abkühlungsweise gemäß der vorliegenden Erfindung ist es wesentlich, daß der Hauptteil der Abkühlung des Gases (am vorzüglichsten 80-100% von der Gesamtabkühlung) durch Abkühlen von Feststoff in einem in dessen Rückkanal wesentlich senkrecht ange­ ordneten Kühler, durch den der Feststoff frei unter der Einwirkung von Gravitationsbeschleunigung fließt, und durch Abkühlen des Gases mittels des abgekühlten, zurückgeführten Feststoffs stattfindet. Diese Absicht wird dadurch erreicht, daß der Hauptteil von Kühlflä­ chen in dem Feststoffrückstrom des UM-Kühlers ange­ ordnet wird, wobei das abzukühlende Gas hauptsächlich nicht mit den Kühlflächen in Berührung steht, sondern das Abkühlen des Gases dadurch bewirkt wird, daß die Partikeln, die in dem mit dem Rückkanal der Umlauf­ masse gekoppelten Wärmeübertrager abgekühlt worden sind, mit dem zu behandelnden Gas vermischt werden. Erfindungsgemäß weist der Wärmeübertrager vorzugswei­ se mehrere Rückkanäle bzw. Rohre auf, durch die die Umlaufmasse, wie Sand, durch den Wärmeübertrager ab­ wärtsfließen kann, wobei der Wärmeübertrager als Kühlelement fungiert, weil dadurch, durch daran ange­ schlossene Kanäle, Luft oder irgendein anderes, ge­ eignetes Medium strömt, das außerhalb der Rückkanäle strömt und deren Wände und somit auch die zurückzu­ führende Umlaufmasse, wie Sand, abkühlt und selbst zugleich warm wird. Ein Vorteil der vorliegenden Er­ findung ist, daß die Regelung der Kühlleistung leicht und einfach zu verwirklichen ist, weil die Abkühlung hauptsächlich indirekt durch Abkühlung der Umlaufmas­ se stattfindet, und höchstens nur ein kleiner Teil direkt in der Weise abgekühlt wird, daß das Prozeßgas längs der wärmeleitenden Außenfläche des Kühlers strömt.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezug­ nahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Konstruktion und Funktion eines erfindungsgemäßen Umlaufmassenkühlers (UM-Kühlers) im Prinzip,

Fig. 2 einen Querschnitt des Umlaufmassenküh­ lers der Fig. 1 an Stelle A-A und

Fig. 3a und 3b die Konstruktion und Funk­ tionsweise eines Düsenbodens des Umlaufmassenkühlers ausführlicher.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Umlauf­ massenkühler. Er weist einen Heißgasreaktor 1 auf, aus dem ein abzukühlendes Gas in einen UM-Kühler ge­ leitet wird. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Umlaufgasrost, der nachher zu erläuternde Schwebe­ düsen 13 und 13a aufweist, durch die das Umlaufgas in eine Wirbelschicht geleitet wird. Der Umlaufgasrost 2 weist dazu Heißgasdüsen auf, die mit dem Bezugszei­ chen 3 bezeichnet sind. Mit dem Bezugszeichen 4 ist der Unterteil des UM-Kühlers, d. h. eine Wirbel­ schichtkammer, bezeichnet. Zum Sichern eines ausrei­ chenden Partikelgehalts ist die Querschnittsfläche des Unterteils 4 größer als die des ringförmigen Oberteils, d. h. einer Reaktionskammer 5, in der das Gas und die Partikeln in den Oberteil des UM-Kühlers strömen.

Aus der ringförmigen Reaktionskammer 5 werden die Gase und die UM-Partikeln im Oberteil des UM-Küh­ lers tangential über ein Flügelgitter 6 eines darin axialsymmetrisch angeordneten Zyklons in eine Zyklon­ kammer 9 geleitet. Das hauptsächlich von Partikeln gereinigte Gas strömt durch ein Zentralrohr des Zyk­ lons, d. h. durch ein Auslaßrohr 7, zur Weiterbehand­ lung ab. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen im Zyk­ lon angeordneten Zwischenboden, der die Zyklonkammer 9 und eine darunter gelegene Verteilungskammer 15 der Partikeln voneinander trennt. Die Aufgabe der Vertei­ lungskammer ist, den zum Rücklauf gehenden, d. h. in die Wirbelschicht zurückzuführenden Partikelstrom gleichmäßig unter den Rückkanälen bzw. -rohren eines typisch rekuperativen Wärmeübertragers 10 zu vertei­ len. In der Anordnung ist ein Düsenstück 14 zur Bil­ dung einer Verschlußkammer montiert, in der die durch den Wärmeübertrager 10 zurückkommende Umlaufmasse eine pfropfenartige Schicht bildet und gleichmäßig durch ein Loch in der Mitte des Düsenstücks 14 in die Wirbelschichtkammer 4 fließt. Der Zweck ist, ein Auf­ wärtsströmen des Gases durch den Wärmeübertrager 10 zu verhindern. Das Bezugszeichen 11 bezeichnet den Eingangsweg eines abkühlenden Gasstroms oder eines anderen Mediumstroms in den Wärmeübertrager 10 und das Bezugszeichen 12 den Ausgangsweg dieses Stroms aus dem Wärmeübertrager. Der Mediumstrom strömt durch den Wärmeübertrager außerhalb der Rücklaufrohre und kühlt diese und somit den Partikelstrom darin ab, während er selbst warm wird.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des Umlaufmas­ senkühlers gemäß der Fig. 1 schematisch, aufge­ schnitten an der Linie A-A. Aus Fig. 2 ist die ring­ förmige Reaktionskammer 5 ersichtlich, die den reku­ perativen Kühler 10 wesentlich symmetrisch in der Mitte aufweist. Durch den Kühler 10 laufen Rückkanäle 10a, die sich aus der Kammer 15 bis zu dem Raum des Düsenstücks 14 erstrecken. Außerhalb der Kanäle 10a strömt Kühlmittel, das Luft, irgendein anderes Gas, Wasser, irgendeine andere Flüssigkeit oder Dampf je nach der Anwendung sein kann.

Beispiel

Im Unterteil des UM-Kühlers ist der Partikel­ gehalt am vorzüglichsten 50-150 kg/m³ und im Oberteil 5-30 kg/m³. Durch Verwendung eines Umlaufmaterials mit einer geeigneten Größenverteilung kann das Partikel­ dichteprofil unabhängig vom Gasstrom in den obener­ wähnten Gehaltsgrenzen angeordnet werden. Die ty­ pische, zu einer anordnungstechnisch zweckmäßigen Konstruktion führende Gasgeschwindigkeit variiert im Bereich von 3 bis 8 m/s. Wenn die Partikelgrößenver­ teilung des Umlaufmaterials nicht wählbar ist, müssen in einigen Fällen bedeutend größere Geschwindigkeiten von sogar bis auf 30 m/s verwendet werden.

Erfindungsgemäß wird ein ausreichender Umlauf­ massenstrom mittels eines Umlaufgases aufrechterhal­ ten, das über Düsen 13 durch einen separaten, in den Fig. 3a und 3b gezeigten Düsenboden 16 in den UM- Kühler geleitet wird, so daß er den Bereich zwischen den Heißgasdüsen 3 in einem Schwebezustand hält. Fi­ gur 3b zeigt den Düsenboden gemäß Fig. 3a, an der Linie B-B aufgeschnitten, woraus die erfindungsgemäße Düsenbodenkonstruktion und deren Funktion hervorgeht. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der UM-Kühler somit vorzugsweise einen doppelten Düsenboden auf, aus dem das heiße, abzukühlende Gas am vorzüglichsten durch ziemlich große Düsen 3 (D 20 mm-60 mm) in den Kühler und das Umlaufgas durch konventionelle, klei­ nere Düsen 13 geleitet werden. Weiter wird Schwebegas um eine Prozeßgasströmung geleitet, die durch die Prozeßgas leitenden Düsenlöcher 3 in einer unteren Platte 16a des doppelten Düsenbodens 16 strömt, und zwar so, daß ein oberer Düsenboden 16b oberhalb der Prozeßgaslöcher 3 gegenüberliegende Löcher 13a auf­ weist, die einen größeren Durchmesser haben als die Löcher 3, so daß das durch den Kanal 2 kommende Schwebegas B zwischen dem unteren und oberen Düsenbo­ den 16a und 16b strömt und in einer ringförmigen Form um die Prozeßgasströmung A dringt und außerdem durch die Löcher der Düsen 13 strömt. Mittels dieses Arran­ gements kann eine sonst oft problematische Schlacken­ bildung um die Heißgasdüsen herum vermieden werden, wenn das heiße Gas kondensiert werdende Verbindungen enthält oder wegen seiner hohen Temperatur versucht, Schwebematerial um die Düsen zu schmelzen.

In einigen Fällen ist es zweckmäßig gewesen, die große Partikelkonzentration nur in einem niedri­ gen Bereich oberhalb des Düsenbodens zu erhöhen oder aufrechtzuerhalten. Dabei ist es zum Beispiel mög­ lich, ein Entstehen von Hülsen um Heißgasdüsen zu verhindern, ohne daß der durch den Kühler fließende Feststoffstrom vermehrt wird. Auch kann ein eventuell vorkommendes, geschmolzenes und kondensiert werdendes Material dabei hauptsächlich um das bezügliche grobe Material angesammelt werden. Der Umlaufmassenstrom wird mittels eines Partikelmaterials aufrechterhal­ ten, das feingeteilter ist als jenes. Durch Regelung des Umlaufgasstroms kann der durch den mit dem Um­ laufmassenstrom gekoppelten Wärmeübertrager fließende Materialstrom geregelt werden, wobei auch die Wärme­ übertragungsleistung des Kühlers geregelt wird. Weil ein bedeutender Teil der Partikeln bei Verminderung des Umlaufgasstroms im Schwebezustand am Düsenboden des Kühlers bleibt, wirkt die Regelung des Umlauf­ gasstroms schnell und effizient. Eine andere Weise zur Regelung der Wärmeübertragungsleistung ist eine Vermehrung der Umlaufmasse oder eine Beseitigung da­ von aus dem Kühler.

In der obigen Beschreibung und in den Zeichnun­ gen wird die Erfindung nur exemplifikatorisch erläu­ tert, ohne sie in irgendeiner Weise zu beschränken.

Claims (10)

1. Verfahren zum Abkühlen von Gasen durch Ver­ wendung von Umlaufmassentechnik, bei welchem Verfah­ ren ein Gas durch eine von einer Umlaufmasse gebil­ dete Wirbelschicht so geleitet wird, daß ein Teil der Umlaufmasse mit der Gasströmung fließt, wobei die mit der Gasströmung fließende Umlaufmasse von der Gas­ strömung getrennt und in die Wirbelschicht zurückge­ führt wird, und bei welchem Verfahren die Abkühlung wenigstens teilweise durch Abkühlen des zurückzufüh­ renden Umlaufmassenstroms ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung we­ sentlich ganz durch Abkühlen des aus einem Gasströ­ mungskanal zurückzuführenden Umlaufmassenstroms mit­ tels eines von der Umlaufmasse getrennten Kühlmittels in einem separaten Wärmeübertrager (10) ausgeführt wird, wobei die Abkühlung des Gasstroms mittels des in die Wirbelschicht zurückkommenden Umlaufmassen­ stroms stattfindet, der eine niedrigere Temperatur hat als die Wirbelschicht.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlaufmassen­ strom durch Steuern des durch Schwebedüsen (13) am Boden des Wirbelschichtraums fließenden Gasstroms geregelt wird und daß das heiße Gas durch von den Schwebedüsen getrennte Düsen (3) mit größerer Quer­ schnittsfläche in den Kühler geleitet wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Umlauf­ massenstrom mittels einer um die heiße Gasströmung ringförmig zugeführten Gasströmung geregelt wird, die eine niedrigere Temperatur hat als die heiße Gas­ strömung.

4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelsuspension der Wirbelschicht aus Partikel­ materialien von zwei verschiedenen Grobheitsklassen ausgeformt wird, wobei mittels des gröberen Materials eine ausreichend dichte Partikelsuspension in einem Schwebezustand und mittels des feingeteilteren Mate­ rials der zur Abkühlung benötigte Umlaufmassenstrom aufrechterhalten wird.

5. Umlaufmassenkühler zum Abkühlen eines Gases, welcher Kühler Organe zum Zuführen des abzukühlenden Gases dem Kühler, einen Auslaßkanal zum Ableiten des abgekühlten Gases, partikelförmige Umlaufmasse, die eine Wirbelschicht im Unterteil des Kühlers bildet und mit dem Gas bis zum Auslaßkanal fließt, wenig­ stens einen Rückkanal zum Zurückführen der Umlauf­ masse in die Wirbelschicht und wenigstens ein Kühl­ element zum Abkühlen des Gasstroms und der Umlauf­ masse aufweist, dadurch gekennzeich­ net, daß er einen als Kühlelement fungierenden Wär­ meübertrager (10) aufweist, durch den abkühlendes Me­ dium geleitet wird, daß alle Rückkanäle zum Zurück­ führen der Umlaufmasse in die Wirbelschicht durch den Wärmeübertrager laufen, so daß die zurückkommende Um­ laufmasse getrennt von dem abkühlenden Medium im Wär­ meübertrager abgekühlt wird, daß unterhalb des Küh­ lers ein mit einer Öffnung versehener Verschlußraum vorgesehen ist, in dem die zurückkommende Umlaufmasse kontinuierlich eine pfropfenartige Schicht bildet und das Gas daran hindert, durch die Rückkanäle in den Auslaßkanal des Gases zu strömen.

6. Kühler nach Patentanspruch 5, dadurch ge­ zeichnet, daß sein oberes Ende eine Zyklonkam­ mer (9) zum Trennen der Umlaufmasse vom Gas aufweist, wobei der Auslaßkanal des Gases sich wesentlich in der Mitte der Zyklonkammer befindet, daß unterhalb der Zyklonkammer eine Verteilungskammer (15) der Um­ laufmasse vorgesehen ist, wobei die Zyklonkammer (9) und die Verteilungskammer (15) mittels eines Zwi­ schenbodens (8) getrennt sind, und daß der Wärmeüber­ trager (10) unterhalb der Verteilungskammer (15) an­ geordnet ist.

7. Kühler nach Patentanspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußraum am unteren Ende des Wärmeübertragers (10) einen Drossel­ kegel (14) aufweist, der wesentlich symmetrisch mit dem Wärmeübertrager (10) angeordnet ist.

8. Kühler nach einem der Patentansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler einen runden Querschnitt hat und daß die Zyklonkammer (9) und der Wärmeübertrager (10) rotationssymmetrisch innerhalb des Kühlers so angeordnet sind, daß um den Wärmeübertrager (10) ein wesentlich ringförmiger Strömungskanal für das abzukühlende Gas entsteht, wobei die zurückkommende Umlaufmasse durch den Wärme­ übertrager (10) wesentlich in den Mittelteil der Wir­ belschicht im Unterteil des Kühlers zurückfließt.

9. Kühler nach einem der vorhergehenden Patent­ ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Düsenboden des Kühlers separate Umlaufgasdüsen (13) zum Zuführen von Umlaufgas dem Kühler und sepa­ rate Heißgasdüsen (3) zum Zuführen des abzukühlenden, heißen Gases dem Kühler vorgesehen sind.

10. Kühler nach einem der vorhergehenden Pa­ tentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Düsenboden Kanäle zum Zuführen einer ringför­ migen Umlaufgasströmung um die aus den Heißgasdüsen (3) kommenden Heißgasströmungen herum vorgesehen sind.