DE4324456C2 - Vorrichtung zur Beheizung von Feststoffwirbelschichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kombinierten Beheizung von Feststoffwirbel­ schichten mit heißem Rauchgas und Direktverbrennung gasförmiger oder flüssiger Brenn­ stoffe in der Wirbelschicht gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs.

Für die Beheizung von Feststoffwirbelschichten werden bevorzugt die Verfahren der Unter­ rost- und Überrostverbrennung angewendet. Erstere kommt für Wirbelschichttemperaturen bis zu ca. 900°C zum Einsatz. Der Brennstoff - Gas oder Öl - wird in einer Brennkammer, die sich direkt unter dem Wirbelschichtrost befindet oder seitlich beigestellt ist, verbrannt. Die dabei entstehenden heißen Rauchgase strömen durch den Wirbelschichtrost in die Feststoff­ wirbelschicht und heizen diese auf Arbeitstemperatur auf. Diese Beheizungsmethode ist technisch einfach. Entsprechende Rauchgaserzeuger gehören in verschiedenen Ausführungs­ formen zum Standardangebot.

Diese Beheizungsart ist dann nachteilig, wenn die Wärmebilanz des technischen Prozesses Rauchgastemperaturen < 1000°C erfordert. In diesem Fall genügt die thermische Stabilität des Rostes den Anforderungen nicht mehr. Die Verhältnisse komplizieren sich mit zuneh­ mender Rostfläche, insbesondere bei Großreaktoren mit mehr als 10 m² Rostfläche.

Für Wirbelschichttemperaturen im Temperaturbereich von 800-1400°C wird das Verfahren der Überrostverbrennung eingesetzt, d. h., daß der gesamte Brennstoff und die Verbrennungs­ luft mit Hilfe von Brennerrosten so der Wirbelschicht zugeführt werden, daß der Brennstoff erst in der Wirbelschicht verbrennt. Bekannt sind die "einkanalige" und die "zweikanalige" Zuführung für Luft und Gas. Bei der ersten Methode werden Brennstoff und Verbrennungs­ luft in getrennt angeordneten Zuführungseinrichtungen der Wirbelschicht zugeführt (DD-WP 62921, DE-OS 2155898). Die Vermischung von Brennstoff und Luft erfolgt in der Wirbelschicht. Diese Methode ist apparativ die einfachste und genügt bereits Anwendungen mit geringen Anforderungen an eine gute vorherige Vermischung von Brennstoff und Luft. In den meisten Fällen werden hohe Anforderungen an eine gute Vormischung von Brennstoff und Luft gestellt. Sie wird durch die zweikanalige Zuführungsmethode gewährleistet, bei der in der Regel der Gaskanal zentral im Luftkanal angeordnet ist und der Brennstoff der Luft kurz vor ihrem Eintritt in die Wirbelschicht zugemischt wird. Dadurch ist jede zweikanalige Zuführung eine selbständige Brennereinheit, d. h., der Wirbelschichtrost ist aus einer Vielzahl selbständiger Brenner zusammengesetzt. Üblicherweise werden pro m² Rostfläche 15-25 "Brennerpilze" benötigt. Einige typische Beispiele der zweikanaligen Brennerroste sind aus DE-OS 21 57 931, DD-WP 116300, DD-WP 143817, DD-WP 239453 ersichtlich.

Der Nachteil bekannter elektronischer Zündeinrichtungen besteht darin, daß die Zündung des Brennerrostes mit einem automatischen Zündbrenner nur bei leerem Ofen möglich ist. Elektronische Zündbrenner müssen in der Regel nach dem Zündvorgang aus dem Ofen entfernt werden, da die Zündelektrode mit dem wirbelnden Feststoff nicht in Kontakt gebracht werden darf. Deshalb ist nach jedem Stillstand der Ofen zu entleeren. Ein gefüllter Ofen kann nicht gezündet werden.

Die Überwachung der Wirbelschichttemperatur geschieht durch ein Kontaktthermoelement. Bei Überschreitung der Solltemperatur der Wirbelschicht wird die Brennstoffzufuhr unter­ brochen. Eine elektronische Flammenüberwachung der Brennerpilze ist nicht möglich, da diese ständig von den Feststoffpartikeln der Wirbelschicht umgeben ist.

Deshalb muß bei Thermoelementüberwachung die Trägheit des Thermoelementes berücksich­ tigt werden, so daß als Sicherheitstemperatur ein Wert von 50°C über der Zündtemperatur des Gas-Luftgemisches gewählt werden muß.

In DE-OS 2754170 wird eine Einspritzdüse für Wirbelschichtöfen beschrieben, bei dem alle Brennstoffe oberhalb des Brennerrostes direkt im Wirbelschichtraum verbrannt werden (Überrostverbrennung).

Ausgehend von den Mängeln der bekannten technischen Lösungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rauchgaserzeuger mit Brennerrost bereitzustellen, der eine automa­ tische Inbetriebnahme des mit Feststoff gefüllten Ofens und die Beheizung der Wirbelschicht im Temperaturbereich von 100-1500°C bei gleichzeitiger Verkürzung bisher üblicher Aufheizzeiten gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch gekennzeichnete Vorrichtung gelöst.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Rauchgaserzeuger, in dem durch Verbrennung von Öl oder gasförmigen Brennstoffen ein heißes Rauchgas mit einer Maximal­ temperatur von ca. 900-1000°C erzeugt wird, mit einem Brennerrost so kombiniert wird, daß der Wirbelschicht mit Hilfe dreikanaliger Zuführungsvorrichtungen ("Brennerpilze") gleichzeitig heißes Rauchgas und ein Brennstoff-Luftgemisch zugeführt werden und das heiße Rauchgas als Zündquelle für das über den Brennerrost zugeführte Luft-Gasgemisch dient und dieses in der Wirbelschicht verbrennt.

Dadurch wird erreicht, daß die Rostbelastung durch heiße Rauchgase in technisch vertret­ baren Grenzen gehalten werden kann und der obere Temperaturbereich durch Direktver­ brennung des Brennstoffes in der Wirbelschicht erreicht wird, wobei die gleichmäßige Verteilung der Zuführung der Sekundärenergie über die gesamte Rostfläche die Aufheizzeit verkürzt.

Erfindungswesentlich ist, daß das heiße Rauchgas noch vor Eintritt in die Feststoffwirbel­ schicht mit dem Gas-Luftgemisch kontaktiert und damit dessen Zündung in allen Tempera­ turbereichen gewährleistet. Die Rauchgaserzeugung in der Brennkammer ermöglicht den Einsatz einer elektronischen Überwachungseinrichtung und erfüllt damit zusätzlich für die Überrostverbrennung eine Überwachungs- und Sicherheitsfunktion für einen stabilen Verbrennungsprozeß. Weiterhin ist erfindungswesentlich, daß die Verbrennungsluft für den Sekundärbrennstoff vorzugsweise im mittleren Kanal dem Brennerpilz zugeführt wird, um das Rauchgasrohr zu kühlen und die Erwärmung des Sekundärenergieträgers auf Zersetzungs­ temperatur zu verhindern und daß die Sekundärverbrennungsluft vorgewärmt wird.

Die Zuführung des Gas-Luftgemisches in den im Brennerpilzkopf angeordneten Austritts­ kanal für das Rauchgas erfolgt im Hochtemperaturbereich von < 1000°C vorzugsweise in unmittelbarer Nähe des Gasaustrittes in die Wirbelschicht und im Temperaturbereich von 700-1000°C vorzugsweise neben dem Rauchgaseintritt in den Austrittskanal des Pilzbrenner­ kopfes.

Die Brennkammer kann unter oder über dem Brennerrost angeordnet sein. Die erste Aus­ führungsform besitzt durch eine höhere Gas-Luftvorwärmung eine bessere Zündfähigkeit des Gas-Luft-Gemisches und ist damit besonders günstig für Temperaturen im Bereich des Zündpunktes eines Gas-Luftgemisches.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine Ausführungsvariante, bei der die Brennkammer 1 unter dem Zwi­ schenrost 2 angeordnet ist. Das in der Brennkammer 1 durch den mit einer elektronischen Überwachungseinrichtung ausgerüsteten Brenner 3 erzeugte Rauchgas strömt durch den zentral angeordneten Rauchgaskanal 4 und den waagerechten Austrittskanal 5, der durch den Rostboden 6 und den Verteilerkopf 7 gebildet wird in den Wirbelschichtraum 8 und erhitzt die dort ausgebildete Wirbelschicht 8 zunächst bis zur Zündtemperatur des Brennstoffes. Bei Inbetriebnahme wird der Brenner 3 automatisch gezündet und während des gesamten Betriebes elektronisch überwacht. Zur Kühlung des Rauchgaskanals 4 wird über den Sekun­ därluftkanal 9 Sekundärluft als Kühlung zugeführt. Erreicht die Wirbelschicht 8 die Zünd­ temperatur des Sekundärbrennstoffes, wird der Brennstoff durch den Gaskanal 10 über Verbindungsöffnungen 12 in den Sekundärluftkanal 9 geführt. Der Sekundärbrennstoff tritt unmittelbar vor Ende des Sekundärluftkanals 9 über Verbindungsöffnungen 12 in diesen ein und vermischt sich mit der Verbrennungsluft. Das entstehende Brennstoff-Luftgemisch strömt in den waagerechten Austrittskanal 5 nach Vermischung mit dem Rauchgas aus Kanal 4 in den Wirbelschichttraum 8, wobei es durch das Rauchgas gezündet wird. Es entsteht am Verteilerkopf 7 eine stabile Flamme, die ein schnelles Aufheizen der Wirbelschicht bewirkt.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform des Verteilerkopfes läßt das Rauchgas durch einen vom Austrittskanal 5 getrennten Austrittskanal 11 in den Wirbelschichtraum 8 eintreten.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Zwischenrost 2 unter der Brennkammer 1 angeordnet ist. Dadurch befindet sich der Gaskanal 10 für Sekundärbrennstoff in zentraler und der Rauchgaskanal 4 in äußerer Position, während der Sekundärluftkanal 9 seine zentrale Position beibehält.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Beheizung von Feststoffwirbelschichten im Temperaturbereich von 100 bis 1500°C mit einer Brennkammer zur Erzeugung eines heißen Rauchgases und einem Bren­ nerrost zur Zuführung des heißen Rauchgases in den Wirbelschichtraum, gekennzeichnet dadurch, daß die Brennkammer (1) entweder unter oder über einem Zwischenrost (2) zur Bildung eines Raums für die Erzeugung eines Sekundärbrennstoff-Sekundärluft-Gemisches angeord­ net ist, und mit dem Brennerrost (6) durch drei koaxial ineinander getrennt angeordnete Zuführungskanäle für das Rauchgas (4), den Sekundärbrennstoff (10) und die Sekundärluft (9), die in den Wirbelschichtraum (8) geführt werden, verbunden ist, wobei sich der Sekun­ därluftkanal (9) zwischen dem Rauchgaskanal (4) und dem Sekundärbrennstoffkanal (10) befindet, und bei unter dem Zwischenrost (2) liegender Brennkammer (1) sich der Rauch­ gaskanal (4) innen und der Sekundärbrennstoffkanal (10) außen und bei über dem Zwischen­ rost (2) liegender Brennkammer (1) sich der Sekundärbrennstoffkanal (10) innen und der Rauchgaskanal (4) außen befindet, und daß die Zuführungskanäle für Sekundärluft und Sekundärbrennstoff (9, 10) unmittelbar vor dem Eintritt in den Wirbelschichtraum (8) Verbindungsöffnungen (12) aufweisen.