DE4308694C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Höhe einer in einem Behälter erzeugten Wirbelschicht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Höhe einer in einem Behälter erzeugten Wirbelschicht gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

In einem derartigen Behälter ist ein erster Bereich mit einer hohen Konzentration einer körnigen oder flüssigen fluidisierten Substanz und ein zweiter Bereich mit einer niedrigen Konzentration vorgesehen, um verschiedene Behand­ lungen oder Verarbeitungen, wie beispielsweise Verbrennen, Vergasen, und dergleichen, zu bewirken. Eine solche Vor­ richtung kann für einen kombinierten Druck-Wirbelschicht­ zyklus (Verbrennung) verwendet werden, bei dem Kohle in einem mit fluidisierten Partikeln gefüllten Gefäß verbrannt und vergast wird und Dampf durch die Verbrennungshitze aus Wasser erzeugt wird, um eine Dampfturbine anzutreiben und eine Gasturbine durch die Abgase anzutreiben.

Die Erfindung kann bei Wirbelschicht-Vergasern zum Zuführen von Kohleteilchen und eines Vergasungsmittels für die Kohle in ein Gefäß zum Vergasen der Kohle, bei Wirbelschicht-Ver­ brennungsvorrichtungen zum Zuführen von Partikeln, die aus granulierten Industrieabfällen bestehen, und eines Vergasungsmittels, mit dessen Hilfe die Industrieabfälle verbrannt werden, in ein Gefäß zum Verbrennen der Abfälle und bei ähnlichen Vorrichtungen verwendet werden.

Darüber hinaus kann die Erfindung auch bei Wirbelschicht­ vergasern für Schweröl verwendet werden, in dem das Schweröl und ein Vergasungsmittel für das Schweröl einem Gefäß zur Vergasung des Schweröls zugeführt werden, bei Bioreaktoren, in denen eine Biomasse, beispielsweise Pflanzen, Späne und dergleichen und ein Vergasungsmittel zum Vergasen der Biomasse einem Gefäß zugeführt und vergast werden, und bei ähnlichen Vorrichtungen verwendet werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anordnungen beschränkt.

Es ist bekannt, die Temperaturverteilung in Richtung der Höhe eines Gefäßes festzustellen, um die Oberflächenpo­ sition einer Substanz zu erfassen, die in das Gefäß eingebracht wurde. Es ist beispielsweise in der JP-A-59-41705 offenbart, einen Wärmeübertragungsabschnitt vorzusehen, der die Übertragung der Temperaturdifferenz zwischen der Wirbelschicht (mit fluidisierten Partikeln gefüllter Abschnitt) einer Wirbelschichteinrichtung und einem teilchenfreien Abschnitt (Gasabschnitt) nach außen ermöglicht, um die Temperaturverteilung des Wärmeüber­ tragungsabschnitts zu erfassen und dadurch die Schicht­ höhe der Wirbelschicht zu messen. Gemäß dem Stand der Technik kann die Tatsache, daß ein Abschnitt, der mit der Wirbelschicht in Kontakt steht, und ein Abschnitt, der mit einem teilchenfreien Abschnitt in Kontakt steht, im Hinblick auf die Metalltemperatur am Wärmeübertra­ gungsabschnitt klar unterschieden werden können, so daß die Schichthöhe der Wirbelschicht gemessen werden kann.

Es gibt viele Beispiele zum Feststellen der Temperatur­ verteilung, um die Wirbelschichtoberfläche zu erfassen, die in JP-A-1-102395, JP-A-62-102121, JP-A-60-195420 und ähnlichen Veröffentlichungen offenbart sind.

Darüber hinaus ist es bekannt, die Schichthöhe einer Druck-Wirbelschichteinrichtung mittels einer Druckdif­ ferenz zu erfassen, was ebenfalls Stand der Technik ist.

In der DE 34 33 302 A1 ist ein Verfahren zur Höhenstandsre­ gelung eines Wirbelbettes in einem Wirbelbettreaktor be­ schrieben, wobei der Druckabfall zwischen einem unterhalb der Sollhöhe des Wirbelbettes angeordneten Meßpunkt und dem Gasraum oberhalb des Wirbelbettes gemessen werden kann und als Regelgröße für die Höhenstandsregelung verwendet wird. Sobald nun die Betthöhe ein bestimmtes Niveau übersteigt, vergrößert sich die Druckdifferenz zwischen den beiden Meßfühlern und das Meßsignal übersteigt das dem Sollwert entsprechende Referenzsignal, wodurch ein Regler nunmehr ein Zellenrad ansteuert, zum Einstellen der Wirbelschichthöhe.

Der Fachmann gewinnt aus der D2 keinerlei Hinweis auf ein Bestimmen einer Verteilungskurve in der Wirbelschicht und zumindest einer weiteren Verteilungskurve oberhalb der Wirbelschicht, wobei dann diese Verteilungskurven zur Er­ mittlung der Wirbelschichthöhe zum Schnitt gebracht werden.

Die DE 37 21 476 C1 beschreibt, daß eine Wirbelschichthöhe durch eine Messung der Temperaturdifferenz zwischen der Wirbelschicht und dem sich über der Wirbelschicht ausbilden­ den Gasraum erfaßt werden kann, um im Falle einer Abweichung des Ist-Wertes von einem voreinstellbaren Sollwert zu beur­ teilen, daß die Wirbelschichthöhe ebenfalls eine vorbestimm­ te Höhe überschritten hat.

Der Stand der Technik, bei dem die Temperaturverteilung im Gefäß in Höhenrichtung gemessen wird, um anhand einer abrupten Änderung der Temperaturverteilung die Oberflä­ che zu erfassen, ist für eine Anordnung vorteilhaft, in der sich die Temperaturen klar voneinander unterschei­ den, wobei die Oberfläche als Grenzfläche dient.

Es ist aber unmöglich, die Schichthöhe festzustellen, wenn der Stand der Technik bei einer Anordnung vom Typ der Wirbelschichteinrichtung verwendet wird, bei der sich die Temperaturen an der Grenzfläche zwischen dem Wirbelschichtabschnitt und dem teilchenfreien Abschnitt im Gefäß fast nicht voneinander unterscheiden.

Des weiteren werden bei der Wirbelschichteinrichtung fluidisierte Partikel immer durch die Zufuhr von Gas fluidisiert. Wenn die Schichthöhe der Wirbelschichtein­ richtung mittels einer Druckdifferenz erfaßt wird, werden ein Abschnitt mit einer hohen Tiefe oder Dicke fluidisierter Partikel als Wirbelschichtabschnitt und ein dünner Abschnitt oder ein Abschnitt mit wenig fluidisierten Partikeln als teilchenfreier Abschnitt angesehen. Gleichermaßen ist es nicht möglich, die Schichtdicke festzustellen, auch wenn dieser Stand der Tech­ nik verwendet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Bestimmen der Höhe einer in einem Behälter erzeugten Wirbelschicht zu schaffen, wobei die Höhe der Wirbelschicht sehr genau bestimmt werden kann, auch wenn sich die Temperaturen an der Grenzfläche nicht stark un­ terscheiden.

Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 5 gelöst. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteil­ hafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfin­ dung.

Erfindungsgemäß ist ein Behälter mit mehreren Bereichen vor­ gesehen. Ein erster Bereich weist eine hohe Konzentration einer körnigen oder flüssigen Substanz auf und ein zweiter Bereich eine niedrige Konzentration dieser Substanz. Weiter­ hin ist eine Oberflächenerfassungseinrichtung vorgesehen, die zur Festlegung des Schnittpunktes der physikalischen Eigenschaftsverteilungskurven mehrere physikalische Eigen­ schaftsverteilungskurven aus physikalischen Eigenschaftsmeß­ werten an mehreren Punkten im Behälter erzeugt.

Gemäß der Erfindung können die physikalischen Eigenschaften im die fluidisierten Partikel enthaltenden Behälter gemessen werden, wodurch zwei sich voneinander unterscheidende physi­ kalische Eigenschaftsverteilungskurven erzeugt werden. Der Schnittpunkt zwischen den physikalischen Eigenschaftsvertei­ lungskurven als Grenzfläche zwischen dem Wirbelschichtab­ schnitt und dem Gasabschnitt kann bestimmt werden, wodurch es möglich ist, einen Wärmeübergangsbe­ reich genau festzulegen, der zur Reaktion im Behälter beiträgt.

Die Erfindungsidee kann auch bei einer Wirbelschichtein­ richtung verwendet werden, in der eine einzige oder mehrere Wirbelschichten im Gefäß durch einen Dichte­ unterschied oder einen spezifischen Schwerkraftunter­ schied ausgebildet werden.

Bei der Wirbelschichteinrichtung wird die katalytische Reaktion zwischen den Partikeln und dem in die Schicht eingebrachten Vergasungsmittel wesentlich durch die Schichthöhe der fluidisierten Partikel beenträchtigt oder beeinflußt. Die Schichthöhe der fluidisierten Teilchen wird erfaßt und die Zufuhrmenge des Brenn­ stoffs, die Zufuhrmenge des Vergasungsmittels oder dergleichen wird auf der Basis des auf erfindungsgemäße Art und Weise erfaßten Wertes erfaßt, wodurch es möglich ist, die Reaktion im Gefäß präzise zu steuern. Des weiteren wird ein Gradient der Temperaturverteilung des Wirbelschichtabschnitts nahe an der Innenwand des Gefäßes festgestellt, wodurch sich der Vorteil ergibt, daß das Wirbelschichtphänomen der fluidisierten Teilchen nahe an der Innenwand eingeschätzt werden kann.

Hierbei können die obengenannten zwei Bereiche zwei frei bestimmte Bereiche sein. Des weiteren ist es in bezug auf die Dauer des Messens der physikalischen Eigenschaf­ ten wünschenswert, daß die Meßeinrichtung im Gefäß vorgesehen ist, damit die physikalischen Eigenschaften direkt im Gefäß gemessen werden können.

Mit dem Verfahren, mit dem, wie im Stand der Technik beschrieben, der Wärmeübergangsabschnitt an der Gefäßwand für eine Ermittlung der Temperaturverteilung gebildet wird, ist es nicht möglich, zwei Kurven mit einer unterschiedlichen Temperaturverteilung zu ermitteln.

Die Erfindung kann derart vorgesehen sein, daß die physikalischen Eigenschaftsverteilungskurven in den zwei aufgeteilten entsprechenden Bereichen aus den Ergebnis­ sen erzeugt werden, die durch Messen der physikalischen Eigenschaften im Gefäß gewonnen wurden, um die physika­ lischen Eigenschaftsverteilungskurven der entsprechenden Bereiche anzuzeigen. Die Oberflächenerfassungseinrich­ tung kann aus einer Anzeigevorrichtung zum Anzeigen der physikalischen Eigenschaftsverteilungskurven in den entsprechenden Bereichen auf demselben Bildschirm bestehen.

Die Anordnung kann derart sein, daß das Innere des Gefäßes, das die fluidisierten Teilchen enthält, in zwei Bereiche aufgeteilt ist, einen oberen und einen unteren Bereich, um eine Funktion, die die physikalischen Eigenschaftsverteilungen in den entsprechenden Bereichen an Meßpunkten der physikalischen Eigenschaft ausdrückt, und einen Meßwert derselben festzulegen, um so den Schnittpunkt der zwei Bereiche auf der Basis der Funktion festzulegen.

Die Anordnung kann weiterhin derart sein, daß das Innere des Gefäßes in zwei Bereiche aufgeteilt ist, einen oberen und einen unteren Bereich, um zwei Ausdrücke zur Anpassung, die die physikalischen Eigenschaftsverteilun­ gen in den entsprechenden Bereichen mit Hilfe einer einzigen Exponentialfunktion von den Meßpunkten der physikalischen Eigenschaft in den entsprechenden Bereichen ausdrücken, und Meßwerte derselben zu erzeugen, um so den Schnittpunkt der Ausdrücke zur Anpassung festzulegen.

Es ist sehr wünschenswert, daß das die fluidisierten Partikel enthaltende Gefäß fakultativ in zwei Bereiche, einen oberen und einen unteren, aufgeteilt ist, um den Schnittpunkt der Ausdrücke zur Anpassung, die die physikalischen Eigenschaftsverteilungen in den entspre­ chenden Bereichen darstellen, festzulegen, und daß diese Operation hinsichtlich beliebiger Kombinationen der Bereiche durchgeführt wird, wenn die Bereiche sich ändern. Es ist wünschenswert, daß eine Kombination, die in der Korrelation zwischen dem Meßwert der physikali­ schen Eigenschaft und dem Ausdruck zur Anpassung die mathematisch beste ist, aus den Ausdrücken zur Anpas­ sung, die unter Berücksichtigung aller Bereiche festgelegt wurden, ausgewählt wird, um den aus den Ausdrücken zur Anpassung festgelegten Schnittpunkt auf die Schichthöhe zu bringen.

Physikalische Eigenschaften sind Temperatur, Druck, Dichte, Zusammensetzung der fluidisierten Substanzen im Gefäß und dergleichen. Es ist wünschenswert, daß eine oder mehrere dieser physikalischen Eigenschaften gemessen werden.

Als Einrichtung zum Messen der physikalischen Eigen­ schaften können beispielsweise zum Messen der Temperatur Thermoelemente verwendet werden. Die Thermoelemente können vorher entsprechend an mehreren Stellen im Gefäß angebracht werden. Alternativ kann ein einziges Thermoelement oder mehrere Thermoelemente zum Messen der Temperatur an mehreren Punkten verwendet werden.

Weiterhin kann ein Druckgefäß vorgesehen sein, das mit fluidisierten Partikeln gefüllt ist, eine Vorrichtung zur Zufuhr von Kohlepartikeln in das Druckgefäß, eine Vorrichtung zur Zufuhr eines Vergasungsmittels für die Kohlepartikel und eine Ausstoßvorrichtung für Gas einer durch Vergasen der Kohle entstandenen Formierung aus dem Gefäß, und sie umfaßt ferner eine Einrichtung zum Messen der physikali­ schen Eigenschaften an mehreren Punkten im Gefäß in Höhenrichtung sowie eine Oberflächenerfassungseinrich­ tung zum Einteilen des Gefäßes fakultativ in zwei Bereiche, einen oberen und einen unteren Bereich, um physikalische Eigenschaftsverteilungskurven in den entsprechenden Bereichen aus physikalischen Eigenschafts­ meßwerten zu erzeugen, um dadurch den Schnittpunkt als Schichthöhe festzulegen, an dem die zwei Kurven einander überschneiden.

Diese Druck-Wirbelschichteinrichtung umfaßt ferner eine Anzeigevorrichtung zum Erzeugen physikalischer Eigenschaftsverteilungskurven in den zwei Bereichen, einem oberen und einem unteren Bereich, des frei aufgeteilten Gefäßes aus physikalischen Eigenschaftsmeßwerten an mehreren Punkten im Kessel in Höhenrichtung, um die physikalischen Eigenschaftsver­ teilungskurven anzuzeigen.

Es braucht hier nicht betont zu werden, daß die physikalischen Eigenschaften an den mehreren Punkten im Gefäß in Höhenrichtung so gemessen werden können, daß Ausdrücke zur Anpassung zum Festlegen der physikalischen Eigenschaftsverteilungskurven in den zwei Bereichen, einem oberen und einem unteren Bereich, des frei aufgeteilten Gefäßes erzeugt werden, um den Schnittpunkt der zwei Ausdrücke zur Anpassung als Schichthöhe zu erfassen. Es muß darüber hinaus nicht betont werden, daß es außerordentlich wünschenswert ist, daß diese Operationen hinsichtlich aller beliebigen Kombinationen der Bereiche im Gefäß durchgeführt werden, die zu erfassen sind, wie Schichthöhe, die Schnittpunkte zwischen den zwei Ausdrücken zur Anpassung in Kombi­ nationen, in denen die Korrelation zwischen den Meßwerten der physikalischen Eigenschaften und den Ausdrücken zur Anpassung die mathematisch beste ist.

Durch die Erfindung kann ein Wirbelschichtvergaser gebildet werden, der eine Vorrichtung zur Zufuhr von körnigem Festbrennstoff in ein Gefäß enthält, eine Vorrichtung zur Zufuhr eines Verga­ sungsmittels zum Verbrennen des körnigen Festbrennstoffs und eine Ausstoßvorrichtung für Gas einer Formierung, die durch Verbrennen des Festbrennstoffs entstanden ist, und er umfaßt weiterhin eine Oberflächenerfassungsein­ richtung zum Erzeugen von Kurven physikalischer Eigenschaftverteilungen in den zwei Bereichen, einem oberen und einem unteren Bereich, des frei in zwei Bereiche aufgeteilten Gefäßes auf der Basis der Meßergebnisse der physikalischen Eigenschaften an mehreren Punkten im Gefäß in Höhenrichtung, um den Schnittpunkt zwischen den zwei Kurven als Schichthöhe festzulegen. Als Festbrennstoff können Kohlepartikel oder körnige Partikel von Industrieabfällen zugeführt werden.

Weiterhin kann ein Wirbelschicht-Dampferzeuger gebildet werden, der ein Gefäß, das mit fluidisierten Partikeln gefüllt ist, enthält, eine Vorrichtung zur Zufuhr von Kohlepartikeln in das Gefäß, eine Vorrichtung zur Zufuhr eines Vergasungsmittels für die Kohlepartikel, eine Ausstoßvorrichtung für Verbrennungsgase aus dem Gefäß, die durch die Vergasung der Kohlepartikel entstanden sind, ein Wärmetauscher, der im Gefäß angeordnet und dafür vorgesehen ist, daß er durch die Verbrennungswärme der Kohleteilchen erwärmt wird, um Dampf aus Wasser zu erzeugen, eine Einrichtung zum Messen von physikalischen Eigenschaften an mehreren Punkten im Gefäß in Höhenrich­ tung, eine Vorrichtung zum Aufteilen des Gefäßinneren fakultativ in zwei Bereiche, einen oberen und einen unteren Bereich, um in den entsprechenden Bereichen physikalische Eigenschaftsverteilungskurven festzulegen und die physikalischen Eigenschaftsverteilungskurven anzuzeigen, und eine Vorrichtung zum Regeln mindestens einer der folgenden Mengen auf der Basis des Schnitt­ punktes von zwei erzeugten physikalischen Eigenschafts­ verteilungskurven umfaßt, der Brennstoffzufuhrmenge, der Vergasungsmittelzufuhrmenge oder der Menge des dem Wärmetauscher zugeführten Wassers.

Weiterhin kann eine Vorrichtung für einen kombinierten Druck-Wirbelschichtzyklus (Verbrennung) gebildet werden, die ein Druckgefäß, das mit einem Wärmeübertragungsrohr ausgestattet ist, das zum Erzeugen von Dampf aus Wasser mit fluidisierten Partikeln gefüllt ist, eine Gasturbine, die durch die Energie des Gases angetrieben wird, das durch die Zufuhr von Kohlepar­ tikeln und eines Vergasungsmittels für die Kohlepartikel in das Gefäß erzeugt wird, eine Dampfturbine, die durch den durch das Wärmeübertragungsrohr erzeugten Dampf angetrieben wird, einen Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels der Energie der Gasturbine, einen Generator zum Erzeugen von elektrischem Strom durch die Energie der Dampfturbine, eine Einrichtung zum Messen der physikalischen Eigenschaften an mehreren Punkten im Gefäß in Höhenrichtung, um den Schnittpunkt zwischen den entsprechenden physikalischen Eigenschafts­ verteilungen in den zwei aufgeteilten Bereichen, dem oberen und dem unteren Bereich, festzulegen und eine Einrichtung zum Regeln mindestens einer der folgenden Größen auf der Basis des festgelegten Schnittpunkts umfaßt, der Menge der Kohlepartikel, der Durchflußge­ schwindigkeit des dem Druckgefäß zugeführten Verga­ sungsmittels und einer dem Wärmeübertragungsrohr zugeführten Wassermenge.

Bei einer derartigen Vorrichtung für einen kombinierten Druck-Wirbelschichtzyklus (Verbrennung) ist es wün­ schenswert, daß ein erstes Wärmeübertragungsrohr zum Erzeugen von Dampf aus Wasser und ein zweites Wärmeüber­ tragungsrohr zum Rückführen des erzeugten Dampfes zum Erzeugen von Rückwärmedampf im Druckgefäß vorgesehen sind, und daß eine Hochdruckdampfturbine, die durch den Dampf, der vom ersten Wärmeübertragungsrohr erzeugt wurde, angetrieben wird und eine Niederdruckdampfturbine vorgesehen ist, die durch den Rückwärmedampf, der vom zweiten Wärmeübertragungsrohr erzeugt wurde, angetrieben wird.

Erfindungsgemäß werden die physikalischen Eigenschaften im mit den fluidisierten Teilchen gefüllten Gefäß an mehreren Punkten in Höhenrichtung gemessen, die mehreren physikalischen Eigenschaftsverteilungskurven werden auf der Basis der Meßergebnisse erzeugt, um den Schnittpunkt zwischen den Kurven auf die Schichthöhe der Wirbel­ schicht zu bringen. Hierbei ist es möglich, die Schichthöhe der Wirbelschicht, die die Kontaktreaktion zwischen den in das Gefäß eingebrachten fluidisierten Partikeln und dem Vergasungsmittel beeinflußt, zu erfassen.

Die Verteilung der physikalischen Eigenschaften wird mit Hilfe der durch direktes Messen der physikalischen Eigenschaften im mit den fluidisierten Partikeln gefüllten Gefäß erzeugten Ergebnisse festgestellt, wodurch mehrere Verteilungskurven gewonnen werden können. Somit ist es möglich, die Schichthöhe der Wirbelschicht festzustellen.

Bei der Wirbelschichteinrichtung sind die fluidisierten Partikel immer fluidisiert, und es gibt keine klare Grenzfläche zwischen dem Wirbelschichtabschnitt und dem teilchenfreien Abschnitt. Zur Regelung der im Gefäß auftretenden Kontaktreaktion ist es wichtig, den Bereich des Wirbelschichtabschnitts, der die Reaktion beein­ flußt, zu kennen. Erfindungsgemäß ist es möglich, den Bereich zu erfassen.

Es ist weiterhin möglich, die Ausdrücke zur Anpassung der entsprechenden physikalischen Eigenschaftsverteilun­ gen der fakultativ aufgeteilten zwei Bereiche mit Hilfe der Meßergebnisse der physikalischen Eigenschaften im Gefäß in Höhenrichtung festzulegen, und der Schnittpunkt zwischen den Ausdrücken zum Anpassen wird gebildet, wodurch es möglich ist, die Schichthöhe automatisch zu erfassen. Als ein Verfahren zum Festlegen der Schnitt­ punkte auf der Basis der Ausdrücke zur Anpassung gibt es ein Verfahren, bei dem die Funktionen der physikalischen Eigenschaftsverteilung, die durch einen Meßpunkt in einem frei bestimmten Bereich hindurchgehen, auf der Grundlage der Meßwerte und der Meßpunkte der physikali­ schen Eigenschaften erzeugt werden, um den Schnittpunkt zwischen den Funktionen festzulegen. Es gibt weiterhin ein Verfahren, das den Ausdruck zur Anpassung zum Festlegen der physikalischen Eigenschaftsverteilungen der entsprechenden Bereiche als eine einzige Exponen­ tialfunktion ausdrückt.

Die Wirbelschichteinrichtung ist fakultativ in zwei Bereiche aufgeteilt, um Ausdrücke zur Anpassung erzeugen zu können, die die mit Hilfe der Meßergebnisse der physikalischen Eigenschaften gewonnenen physikalischen Eigenschaftsverteilungen der entsprechenden Bereiche ausdrücken, das erfolgt in bezug auf alle betrachteten Kombinationen, um den Schnittpunkt der Ausdrücke zum Anpassen festzulegen, die hinsichtlich der Korrelation zwischen dem Meßwert der physikalischen Eigenschaften und dem Ausdruck zum Anpassen als Schichthöhe die besten sind, wodurch es möglich ist, den Bereich des Wirbelschichtabschnitts zu erfassen, der mit der bestmöglichen Genauigkeit die im Gefäß auftretende Kontaktreaktion beeinflußt.

Bei der Wirbelschichteinrichtung ist es wichtig, auf der Basis der Schichthöhe des Wirbelschichtabschnitts die Zufuhrmenge des Brennstoffs und die Zufuhrmenge des Vergasungsmittels einzustellen oder zu regeln. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, daß eine Bedienungs­ person, die die Wirbelschichteinrichtung bedient, dieses durch persönliche Inaugenscheinnahme tut, damit sie die Schichthöhe des Wirbelschichtabschnitts bestätigen kann. Es ist eine Anzeigevorrichtung zum Anzeigen der Kurven der physikalischen Eigenschaftsverteilung in den entsprechenden zwei aufgeteilten Bereichen im Gefäß vorgesehen, wodurch es möglich ist, daß die Bedienungs­ person, die die Wirbelschichteinrichtung bedient, diese persönlich beobachtet, damit sie die Schichthöhe der Wirbelschicht bestätigen kann.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Gesamtansicht, die eine Vorrichtung für einen kombinierten Druck-Wirbelschichtzyklus (Verbren­ nung) einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;

Fig. 2 eine Detailansicht, die ein in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung verwendetes Gefäß zeigt;

Fig. 3 eine Temperaturverteilungskurve, die eine Beziehung zwischen einem Wirbelschichtabschnitt im Gefäß und der Schichthöhe und Temperatur eines Gasab­ schnitts zeigt;

Fig. 4 eine Ansicht der Ausbildung des Wirbel­ schichtabschnitts im Gefäß;

Fig. 5 eine Kurvendarstellung, die die Berech­ nungsergebnisse der Schichthöhe der Wirbelschicht im Vergleich mit denjenigen einer Schichthöhe eines herkömmlichen Verfahrens zeigt;

Fig. 6 die Darstellung einer Korrelation zwischen der Schichthöhe der Wirbelschicht, die mit Hilfe der Temperatur errechnet wurde, und der Schichthöhe, die mit Hilfe der Druckdifferenz errechnet wurde;

Fig. 7 eine Darstellung, die die Streuung der berechneten Werte der Schichthöhe zeigt, die mit Hilfe der Druckdifferenz berechnet wurde, und die Streuung der Werte der Schichthöhe, die mit Hilfe der Temperatur berechnet wurde, und

Fig. 8 einen Ablaufplan der Regelung der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung.

In Fig. 3 ist ein Verfahren zum Erfassen der Schichthöhe mit Hilfe der Temperatur gezeigt. Die Wärmeübertragungs­ bedingungen unterscheiden sich voneinander in einem Bereich (unterer Schichtabschnitt) A und einem Bereich (oberer Schichtabschnitt) B, der einer von zwei Bereichen, oberer und unterer Bereich, ist, in die der Innenraum eines Gefäßes zur Aufnahme fluidisierter Partikel fakultativ aufgeteilt wurde, und sie werden entsprechend in verschiedene Kurven eingetragen. Somit stellt der Schnittpunkt zwischen den Kurven eine Grenzfläche zwischen dem Bereich A und dem Bereich B dar. Im Bereich A findet eine Reaktion statt, so daß sich Wärme entwickelt. Weil die Partikel zwangsweise fluidisiert werden, ist die Wärmeübertagung sehr gut. Deshalb sind Änderungen oder Schwankungen der Temperatur in bezug auf die gemessene Schichthöhe gering. Im Bereich B des oberen Bettabschnitts sind keine Teilchen vorhanden, und es findet auch keine Reaktion statt. Daher ist dort die Wärmeübertragung schlecht und die Temperaturänderung im Gefäß ist groß in der Höhenrich­ tung.

Der Wärmeübertragungszustand oder die Wärmeübertragungs­ bedingungen im Bereich A sind derart, wie in Fig. 4 modelliert. Der Bezugsbuchstabe C bezeichnet das Innere des Wärmeübertragungsrohrs, während der Bezugsbuchstabe D das Innere des Wirbelschichtabschnitts bezeichnet. Eine Näherungskurve, die eine Temperaturverteilung im Wärmeübertragungsrohr anzeigt, läßt sich wie folgt auf der Basis der Wärmebilanz in einer Zeitspanne d_z festlegen. Hier bezeichnet der Bezugsbuchstabe "O" eine Konstante des Wärmeübertragungsrohrs C innerhalb des Bettes. Es wird angenommen, daß die Wärmeerzeugung im Wirbelschichtabschnitt im unteren Abschnitt des Wärmeübertragungsrohrs stattfindet, was hier nicht in Betracht gezogen wird.

wobei bedeuten:

T: Temperatur
λ: Wärmeleitung
c: spezifische Wärme
u: ansteigende Geschwindigkeit
p: Dichte
w: ihre Breite, und
a, b: proportionale Konstante.

Zur Festlegung des Schnittpunkts wird für die Gleichung (4) eine Kurve verwendet. Da die Kurve nicht linear ist, wird ein Koeffizient ª angenommen, ein Logarithmus gewählt, eine Kurve wird zumindest mittels einer Fehlerquadratmethode appliziert, und der Koeffizient ª, durch den ein Fehler minimiert wird, wird mittels der generell bekannten Komplexmethode festgelegt.

Ein Berechnungsalgorithmus der Schichthöhe wird im folgenden beschrieben. Es wird zunächst angenom­ men, daß ein Zwischenabschnitt zwischen fakultativen Temperaturmeßpunkten eine Grenzfläche zwischen dem Wirbelschichtabschnitt und dem teilchenfreien Abschnitt (Gasabschnitt) ist. Zur Berechnung eines Fehlers werden für jeden diskreten oder abgetrennten Bereich Kurven appliziert. Die oben beschriebene Operation wird unter Bezug auf den Zwischenabschnitt aller Temperaturmeß­ punkte durchgeführt. Zur Berechnung der Schichthöhe wird der Schnittpunkt der Näherungskurven durch eine Kombination, in der ein Fehler minimiert ist, festgelegt.

Erfindungsgemäß ist es möglich, die Schichthöhe des Wirbelschichtabschnitts der Wirbelschichteinrichtung rasch und genau festzustellen, um adäquate Gegenmaßnah­ men zu ergreifen. Des weiteren wird erfindungsgemäß der obengenannte Ausdruck zur Anpassung der Temperaturver­ teilung analysiert, wodurch es möglich wird, das Wirbelschichtverhalten des pulverisierten Brennstoffs im Gefäß einzuschätzen, mit dem man früher wie mit einer Blackbox umzugehen hatte. Insbesondere wird α mittels der obigen Gleichungen 1-4 festgelegt. Wenn λ, c, p und w bei jeder Bedingung in den Gleichungen ersetzt werden, wird die Geschwindigkeit oder der Durchsatz u eines Bettmaterials (fluidisierter Teilchen) des Wirbelschichtabschnitts festgelegt, um einen Anstieg des Partikeldurchsatzes zu berechnen.

Eine spezielle Ausführungsform der Vorrichtung für einen kombinierten Zyklus, die mit der erfindungsgemäßen Druck-Wirbelschichteinrichtung ausgestattet ist, wird unter Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben.

Insgesamt umfaßt die Vorrichtung eine Druck-Wirbel­ schicht-Kohleverbrennungseinrichtung, eine Gasturbinen­ zykluseinrichtung, eine Dampfturbinenzykluseinrichtung und einen Regler. Bei der Druck-Wirbelschicht- Kohlenverbrennungseinrichtung wird Kohle 38 durch eine Düse 6 einer Wirbelschicht 4 eines Gefäßes 1 zugeführt. Atmosphärenluft 16 wird mit Hilfe eines Drucklufter­ zeugers 13 komprimiert. Die Luft 16 wird mit der erzeugten Hochdruckluft 16 im Bett gemischt und die Kohle 38 wird darin verbrannt. Fluidisierte Partikel 7 werden auf eine Siebplatte 8 aufgebracht. Verbrennungs­ abgase werden über einen Staubabscheider 11 einer Gasturbine 14 zugeführt. Die in der Gasturbine 14 erzeugte Energie wird auf den Drucklufterzeuger 13 und einem Gasturbinengenerator 15 übertragen. Die Betthöhe der Wirbelschicht 4 wird durch die Füllstoffbewegung zwischen einem Zusatzgefäß 12 und der Wirbelschicht 4 bestimmt.

In der Dampfturbinenzykluseinrichtung wird der Dampf mit Hilfe eines Kühlers 34 gekühlt und in Wasser verwandelt. Das Wasser wird mit Hilfe einer Speisewasserpumpe 35 komprimiert. Das Druckwasser tritt in einen Überhitzer 10 ein, wird zu Dampf umgewandelt und tritt in eine Hochdruckturbine 32 ein. Der aus der Hochdruckturbine 32 austretende Dampf wird mit Hilfe eines Nacherhitzers 9 weiter erwärmt und tritt in eine Niederdruckturbine 31 ein. Die durch die Niederdruckturbine 31 und die Hochdruckturbine 32 erzeugte Energie wird einem Dampfturbinengenerator 33 übertragen und in Elektrizität umgewandelt. Ein Regler 30 regelt die oben beschriebenen Einrichtungen in einem geschlossenen Kreis. Der Regler 30 ist mit einer Anzeigevorrichtung zur Anzeige der physikalischen Eigenschaftsverteilungskurven in den entsprechenden zwei aufgeteilten Bereichen der Wirbel­ schicht ausgestattet.

Im folgenden wird der erfindungsgemäße Betrieb beschrie­ ben. In der Vorrichtung für einen kombinierten Druck- Wirbelschichtzyklus (Verbrennung) werden in dem Gefäß, das die fluidisierten Partikel enthält, Schwefeloxide (SOx) und Stickstoffoxide (NOx) adsorbiert und aufge­ löst. Zu diesem Zweck enthalten die fluidisierten Partikel ein Lösungsmittel, wie beispielsweise Kalk oder Dolomit. Die Temperatur im Gefäß muß wegen der Reaktion, die die Schwefeloxide und die Stickstoffoxide entfernt, auf der am besten geeigneten Temperatur gehalten werden.

Wenn die Vorrichtung für einen kombinierten Druck- Wirbelschichtzyklus mit einer vorgegebenen Last betrieben wird oder läuft, erfolgt eine Regelung, bei der die Temperatur durch eine Änderung der Menge der fluidisierten Partikel, also eines Füllstoffes, im Druckgefäß, das heißt, einer Schichthöhe, konstant gehalten wird. Das Druckgefäß 1 ist mit dem Hochtempera­ turwärmetauscher 9 und dem Niedertemperaturwärmetauscher 10 zur Übertragung der Wärme an eine Stelle außerhalb des Systems ausgestattet. Ein Wärmetauscher-Oberflächen­ bereich des Wärmeübertragungsrohrs in der Wirbelschicht 4 dieser Wärmetauscher wird dadurch geändert, daß die Betthöhe geändert wird. Wenn das geschieht, ändert sich die Adsorptionsmenge der im Druckgefäß erzeugten Wärme, und die Temperatur im Gefäßinneren. Ist die Temperatur höher als die Einstelltemperatur, vergrößert sich die Betthöhe der Wirbelschicht, so daß mehr Wärme adsorbiert wird. Wenn jedoch die Temperatur niedriger als die Einstelltemperatur ist, verringert sich die Betthöhe der Wirbelschicht, so daß weniger Wärme adsorbiert und die Temperatur im Gefäß konstant gehalten wird.

Die Temperatur im Gefäß 1 wird mit Hilfe einer Tempera­ turerfassungseinrichtung 20 erfaßt. Die Ergebnisse der Temperaturerfassung sind in Fig. 3 gezeigt. Weil die Wärmeübertragungsbedingungen in den Bereichen A und B unterschiedlich voneinander sind, werden aufgrund dieser Bedingungen unterschiedliche Kurven gewonnen. Daher zeigt der Schnittpunkt der Kurven eine Grenzfläche zwischen der Wirbelschicht und dem Gasabschnitt an.

Die Wärmeübertragungsbedingung oder der Wärmeübertra­ gungszustand im Gefäß wird, wie in Fig. 4 gezeigt, modelliert. In Gleichung 4 ist ein Näherungsausdruck für die Darstellung einer Temperaturverteilung im Wärmeüber­ tragungsrohr ausgehend von der Wärmebilanz im Zeitspan­ nenbereich d_z angegeben.

Zur Festlegung des Schnittpunkts wird nach der Gleichung 4 eine Kurve gezeichnet. Wegen der Nichtliniearität wird ein Koeffizient a angenommen, ein Logarithmus gewählt, eine Kurve wird zumindest mittels einer Fehlerquadrat­ methode appliziert, und der Koeffizient ª, in dem der Fehler minimiert ist, wird mittels der bekannten Komplexmethode festgelegt.

Der Algorithmus der Betthöhe wird derart berechnet, daß ein Zwischenabschnitt zwischen den fakultativen Temperaturmeßpunkten zunächst als Grenzfläche zwischen den Wirbelschichten angenommen wird, und für jeden ge­ trennten Bereich werden Kurven verwendet, um einen Fehler zu berechnen. Die oben beschriebene Operation erfolgt hinsichtlich eines Zwischenabschnitts zwischen allen Temperaturmeßpunkten. Zwischen den Näherungskurven wird auf der Basis einer Kombination, in der ein Fehler minimiert wurde, der Schnittpunkt ermittelt, um die Höhe zu berechnen.

Fig. 5 stellt eine mit der Zeit zunehmende Verschlech­ terung der Betthöhe der Wirbelschicht dar, zur Berech­ nung wurden verschiedene Systeme angewendet. Die mit Hilfe der Temperatur berechnete Betthöhe zeigt im Vergleich zu der mit Hilfe der Druckdifferenz berech­ neten eine außerordentlich hohe Stabilität. Außerdem erfolgt auch das Ansprechen ähnlich oder gleich demjenigen gemäß der Druckdifferenzmethode. Darüber hinaus weist gegenüber der mit Hilfe der Temperatur festgestellten Betthöhe im zentralen Abschnitt im Gefäß die in Wandnähe festgestellte Betthöhe im Gefäß nach einer Laständerung eine besonders hohe Stabilität auf. Der Grund dafür ist, daß sich die Betthöhe nur schwer durch eine Blase 2 in Wandnähe beeinflussen läßt.

Fig. 6 zeigt die mit Hilfe der Druckdifferenz berechnete Betthöhe, und im Vergleich dazu die mit Hilfe der Temperatur berechnete Betthöhe. Bei beiden Betthöhen ist eine enge Korrelation vorhanden, weshalb es naheliegt, daß eine Methode zur Berechnung der Betthöhe auf der Grundlage der Temperatur geeignet oder zweckmäßig ist.

Fig. 7 zeigt die Streuung der Berechnungswerte der Betthöhen in verschiedenen Höhen. Die mit Hilfe der Temperatur berechnete Betthöhe weist eine geringere Verteilung auf, so daß bestätigt werden konnte, daß sich die Betthöhe als zu regelndes Objekt eignet. Fig. 8 zeigt einen Ablaufplan, mit dessen Hilfe die Wirbel­ schichteinrichtung erfindungsgemäß geregelt wird. Bei den Regelfaktoren wird die Betthöhe mit Hilfe der Temperatur gemessen und ein Anstieg einer erzeugten Dampf- und Druckmenge im Gefäß wird in Übereinstimmung mit einem Lastbefehl zu regeln versucht. Dadurch ist darin eine Laständerung mit höherer Geschwindigkeit oder einem höheren Durchfluß möglich.

Die Erfassung der Betthöhe der Wirbelschicht im Gefäß ist außerordentlich wichtig, da die die Betthöhe anzeigende physikalische Eigenschaft einen Betriebszu­ stand oder eine Betriebsbedingung der Wirbelschichtein­ richtung beeinflußt. Beispielsweise sollte in einem Fall, bei dem die Betthöhe der fluidisierten Partikel eine Verarbeitungs- oder Behandlungsmenge des Reaktors ausdrückt, nur ein Abschnitt zu einer Betthöhe gebracht werden, in dem eine ausreichende Reaktion stattfindet. Bei einer Wirbelschichteinrichtung, bei der es sich um eine Einrichtung für eine Kontaktreaktion zwischen Gas und kleinen Partikeln handelt, fällt eine klare Unterscheidung des Bettes schwer. In einem Fall, in dem die Grenzfläche mit Hilfe einer herkömmlichen Druckdif­ ferenz festgestellt wird, wird ein Abschnitt mit einer hohen Konzentration von Partikeln als Bett eingeordnet, während ein Abschnitt mit einer geringen Konzentration von Partikeln als Gasabschnitt eingeschätzt wird. Jedoch werden die Wärmeübertragungsbedingungen nicht durch die Betthöhe beeinflußt oder geregelt. Im allgemeinen sind in einem Fall, in dem die Partikelkonzentration groß ist, die Wärmeübergangsbedingungen gut oder sehr gut, während bei einer geringen Partikelkonzentration die Wärmeübergangsbedingungen schlecht sind. In einem Grenzbereich, in dem die Partikeldichte von einem Abschnitt mit hoher Konzentration in einen Abschnitt mit niedriger Konzentration übergeht, sind jedoch sogar dann, wenn die Partikelkonzentration geringer wird, die Wärmeübergangsbedingungen in diesem Abschnitt sehr gut, weil sich der Wirbelschichtzustand verstärkt. Daher kann bei der Betthöhe, die mit Hilfe des Drucks festgestellt wurde, ein Bereich, der diese Näherungsbedingung anzeigt, nicht erfaßt werden, und es ist nicht möglich, eine Information über die Grenzfläche zu erhalten, die für den Wärmeübergang notwendig ist. Da die Laständerung der Druck-Wirbelschichteinrichtung mit Hilfe der Betthöhe der Wirbelschicht, die durch die Wärmeüber­ gangsbedingungen bestimmt ist, geregelt wird, ist die Betthöhe, die durch die Druckdifferenz festgestellt wurde, niedriger als die Betthöhe, die durch den Wärmeübergang festgestellt wurde. Es läßt sich daher keine sehr gute Regelung der Betthöhe bewirken.

Erfindungsgemäß ist es möglich, eine genaue Information über die Grenzfläche zu geben, die für den Wärmeübergang im die fluidisierten Partikeln enthaltenden Gefäß erforderlich ist. Da weiterhin die Wärmeübergangsbedin­ gung im Gefäß vorhergesagt werden kann, ist eine Vorhersage über die Betriebsmenge möglich, die für eine Laständerung erforderlich ist, und es ist möglich, die Schichthöhe rasch zu regeln.

Wie oben beschrieben, ist es erfindungsgemäß möglich, die Betthöhe der Wirbelschicht zu berechnen, die die Reaktion der Wirbelschichteinrichtung beeinflußt. Die Operationsgröße des die Reaktion beeinflussenden Faktors wird auf der Grundlage der auf diese Weise festgelegten Betthöhe bestimmt, wodurch es möglich ist, eine sehr zuverlässige Regelung zu bewirken.

Claims (8)

1. Verfahren zum Bestimmen der Höhe einer in einem Behälter (1) erzeugten Wirbelschicht (4), insbesondere zur Steue­ rung der Wirbelschicht, bei dem zumindest ein physikali­ scher Parameter in der Wirbelschicht (4) und im freien Raum oberhalb der Wirbelschicht (4) ermittelt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• - Ermitteln einer Verteilungskurve A in der Wirbel­ schicht (4) und zumindest einer weiteren Verteilungs­ kurve B oberhalb der Wirbelschicht (4) aus einer er­ faßten Verteilung des zumindest einen physikalischen Parameters in der Wirbelschicht (4) und oberhalb der Wirbelschicht (4),
• - Ermitteln eines Schnittpunkts der Verteilungskurven A und B, und
• - Bestimmen der Höhe der Wirbelschicht (4) aus dem er­ mittelten Schnittpunkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine physikalische Parameter an mehreren Punkten in Höhenrichtung im Behälter (1) erfaßt wird.

3. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Meßwerte der physikalischen Parameter, welche dem Schnittpunkt der Verteilungskurven A und B am nächsten sind, nicht berücksichtigt werden.

4. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der physikalische Parameter aus Temperatur, Druck, Dich­ te oder Zusammensetzung einer Substanz der Wirbelschicht (4) ausgewählt ist.

5. Vorrichtung zum Bestimmen der Höhe einer in einem Behäl­ ter (1) erzeugten Wirbelschicht (4), insbesondere zur Steuerung der Wirbelschicht, mit einer Meßeinrichtung (20), die zumindest einen physika­ lischen Parameter in der Wirbelschicht (4) und im freien Raum oberhalb der Wirbelschicht (4) ermittelt, und einer Steuereinheit (30), zdadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (30)

• - eine Verteilungskurve A in der Wirbelschicht (4) und zumindest eine weitere Verteilungskurve B oberhalb der Wirbelschicht (4) aus einer erfaßten Verteilung des zumindest einen physikalischen Parameters in der Wir­ belschicht (4) und oberhalb der Wirbelschicht (4) ermittelt,
• - einen Schnittpunkt der Verteilungskurven A und B er­ mittelt, und
• - die Höhe der Wirbelschicht aus dem ermittelten Schnittpunkt bestimmt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (20) den zumindest einen physikali­ schen Parameter an mehreren Punkten in Höhenrichtung im Behälter (1) erfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (30) die jeweiligen Verteilungskurven A und B in den jeweiligen Bereichen mittels einer Expo­ nentialfunktion aus den Messungen der physikalischen Parameter der entsprechenden Bereiche erzeugt, wobei die Erzeugung der Verteilungskurven A und B und die Er­ mittlung des Schnittpunkts wiederholt wird und eine Kom­ bination ausgewählt wird, in der die Korrelation zwi­ schen einem Meßwert und den Verteilungskurven die beste ist.

8. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen der Verteilungskur­ ven A und B vorgesehen ist.