DE4439565C2 - Ventilvorrichtung für die dosierte Einleitung von Feinstasche in einen Wirbelschichtreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung für die dosierte Einleitung von Feinstasche in einen Wirbelschichtreaktor, der sowohl für herkömmliche Brennstoffe als auch für alternative Brennstoffe mit geringem Brennwert eingerichtet ist.

Es ist bekannt, daß zur Verbrennung fester, flüssiger oder gasförmiger Stoffe, die überwiegend aus Kohlenstoff als Haupt­ träger der Wärmeentwicklung und Wasserstoff für die Entzündbar­ keit enthalten, Wirbelschichtreaktoren eingesetzt werden können. Insbesondere gilt dies für den Einsatz bei alternativen Brenn­ stoffen, wie z. B. Heizölen, Teer, Schlacke und Abfallschlämme, die auch verschiedene Kohlen mit geringen Brennwerten, Braunkoh­ le und ähnliche Stoffe enthalten können.

Üblicherweise wird in einem Wirbelbettreaktor am unteren Ende Primärluft und in der unteren Hälfte bezogen auf die Gesamthöhe H des Reaktors Sekundärluft 3 eingeblasen. Die Sekundär­ luftleitungen sind über den Umfang des Reaktors verteilt ange­ ordnet, vorzugsweise liegen sich in einer Ebene vier Leitungen gegenüber, und in der der darunterfolgenden Ebene sind jeweils auch vier Leitungen räumlich versetzt.

Aus der DE-AS 10 91 542 ist es bekannt, eine Schleuderwalze seitlich außerhalb der Wirbelschicht und unterhalb des Wirbel­ schichtspiegels anzuordnen. Mit dieser Schleuderwalze werden die als Brennstoffmaterial eingesetzten Feststoffe, wie z. B. Stein­ kohlen in die Wirbelschicht eingespritzt.

Die US 4 931 260 zeigt eine Vorrichtung zur dosierten Einleitung von Feststoffteilchen in einen Wirbelschichtreaktor, wobei an einem Rücklaufrohr ein zweiter Separator angeschlossen ist. Über einen Injektor wird ein Unterdruck erzeugt, der über ein Stell­ glied veränderbar ist. Das im Separator gesammelte Feststoff­ material kann über einen Abscheider entfernt werden.

Über eine Abgasleitung wird am oberen Ende des Wirbelschichtre­ aktors das beladene Abgas abgezogen und über einen Zyklonabschei­ der in einen Rauchgasanteil und einen Ascheanteil aufgeteilt, der über ein Ascheförderrohr und eine Ventilklappe in ein Rück­ laufrohr zum Wirbelschichtreaktor zurückgegeben wird.

Es ist üblich, das Rücklaufrohr als Tauchtopf mit einem Rück­ schlagventil auszustatten, so daß sich beim Anfahren zunächst keine Asche im Brennerraum befindet. Erst wenn die erforderliche Zündtemperatur erreicht ist, wird das Rückschlagventil durch das Gewicht der im Siphon angesammelten Asche geöffnet und damit der Kreislauf des Ascheanteils aus dem Zyklonabscheider in Gang gesetzt.

Mit der bekannten Stauklappe gibt es mehrere Probleme. Zunächst ist die Einstellung nur über eine exzentrische Lagerung bzw. über das Klappengewicht möglich. Beim Zünden der Wirbelschicht im Brennerraum kann die Flamme im ungünstigen Falle bis in den Zyklon durchschlagen. Dies bedeutet, daß die Fernasche verklebt und der Zyklon langsam zuwächst.

Die Stauklappe soll für den Druckabschluß zwischen Ofen und Zyklon sorgen. Dazu muß die Welle der Stauklappe laufend gekühlt werden, weil sonst bei den hohen Temperaturen eine Funktions­ fähigkeit nicht garantiert werden kann.

Beim Überdruck im Ofen wird die Asche hochgehoben und von unten fluidisiert. Es kann dabei leicht zu einer Schwankung des Asche­ standes im Tauchtopf kommen, der nach Art eines Siphons mit stets gleichem Materialstand arbeiten muß.

Ein weiteres Problem besteht bei der Eindüsung der Rücklaufasche direkt am Eintritt in den Ofen. Hier trifft die Rücklaufasche mit den alternativen Brennstoffen zusammen, wobei der Vermi­ schungszeitraum mit den heißen Partikeln möglichst kurz zu hal­ ten ist. Da die Reaktionszone im Wirbelschichtreaktor relativ inhomogen ist und sich bisweilen Gassträhnen mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen bilden, klafft die Temperaturschere zwischen Ofenboden und Ofenkopf weit auseinander. Die leichtflüchtigen Kohlenwasserstoffe zünden bereits am Ofenboden, während die mit den Gassträhnen nach oben transportierten unverbrannten Kohlen­ wasserstoffe erst später im oberen Bereich oder gar im Abgas­ bereich zünden.

Nach der US 5 332 553 werden die Feststoffteilchen eines Wirbel­ schichtreaktors über besondere Trennwände (barrier walls) klas­ sifiziert, bevor sie zusammen mit den Gasen in den Reaktor zu­ rückgegeben werden. Durch die Klassifizierung der Teilchen soll die Möglichkeit gegeben werden, zumindest einen Teil der Teil­ chen einer weiteren Behandlung und ggf. einer Wärmerückgewinnung zu unterziehen bevor sie in den Reaktor zurückgegeben werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pendel­ klappe der eingangs genannten Art insbesondere für die Verwen­ dung für einen Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender Wirbel­ schicht und Zyklonabscheider derart zu verbessern, daß das An­ fahrverhalten und die jeweiligen Betriebszustände mit einem hohen Wirkungsgrad durchfahren werden können und ein Zusetzen des Rücklaufrohres vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1, 4 oder 5 gekennzeichnete Vorrichtung gelöst. Es hat sich gezeigt, daß durch eine besonders gestaltete Pendelklappe in Verbindung mit einer kombinierten Einspeisung von Feinstpartikeln und Grobpartikeln gemeinsam am unteren Ende der Reaktionszone auf die sich ändernden Betriebszustände optimal reagiert werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbei­ spiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 prinzipieller Aufbau der erfindungsgemäßen Ventilvor­ richtung in Seitenansicht,

Fig. 2 vergrößerter Ausschnitt nach Fig. 1 in Höhe der erfin­ dungsgemäßen Pendelklappe in einer ersten Ausführungs­ form,

Fig. 3a-f Einzelansichten zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Pendelklappe und zwei weitere Aus­ führungsformen (Fig. 3e, f) der Pendelklappe

Fig. 4 Teilvergrößerung der Einmündung des Rücklaufrohres mit der erfindungsgemäßen Pendelklappe.

In Fig. 1 ist das Rücklaufrohr 1 für den Zyklon 2 und den Wir­ belbettreaktor 3 in prinzipieller Anordnung dargestellt. Die Durchflußrichtung ist mit Pfeilen angegeben, wobei in dem Zy­ klonabscheider 2 die Fernasche nach Passieren des Rücklaufrohres 1 gegen eine Stauklappe 4 fällt, die als Pendelklappe kurz vor der Einleitung in den Wirbelbettreaktor 3 angeordnet ist. Ei­ gentlich handelt es sich um ein geschlossenes System, denn der Wirbelbettreaktor 3 ist mit dem Zyklon 2 über weitere nicht dargestellt Rohrleitungen verbunden.

Üblicherweise arbeitet der Tauchtopf nach Art eines Siphons, wobei der Aschestand gestrichelt in Fig. 1 dargestellt ist. Bei einem Überdruck im Ofen wird die Asche hochgeschleudert und kann über den Überlauf in das Rücklaufrohr gelangen.

Mit der Pendelklappe 4 soll zunächst der Aschestrom beim Anfah­ ren blockiert werden und erst ab einem bestimmten Aschestand die Klappe über das Eigengewicht der Rücklaufasche sich automatisch öffnen.

Die Besonderheiten einer der erfindungsgemäßen Ausführungsformen der Pendelklappe sind aus Fig. 2a und b ersichtlich. In Fig. 2a (Draufsicht) ist das Lager 5 der Pendelklappe horizontal an­ geordnet und im Längsschnitt dargestellt, während in Fig. 2b ein Querschnitt durch die erfindungsgemäße Pendelklappe gezeigt wird. In Fig. 2a sind ferner die Klappensegmente 6a, 6b, 6c mit den dazwischen angeordneten Schlitzen 7a, 7b dargestellt, wobei die Schlitzweite variabel ist.

Das Material der Pendelklappe ist vorzugsweise Keramik, nur für das Lager 5 kann Stahl verwendet werden. In diesem Fall muß jedoch eine Innenkühlung erfolgen, die herkömlich ausgeführt ist.

Es bietet sich aber bei der erfindungsgemäßen Pendelklappe an, auch die Lagerung mit keramischen Teilen auszubilden. So ist es möglich, die Segmente 6 an ihrem Kopfende 8 mit einem Schlitz 9 zu versehen, in den ein entsprechend ausgebildetes Paßteil 10 formschlüssig einführbar ist. So lassen sich Drehteile, z. B. nach dem Prinzip der Kugelkopfführung verwirklichen.

In Fig. 3 sind die Verhältnisse während des Betriebes eines Wirbelbettreaktors dargestellt. Bei ungleichmäßigen Betriebs­ zuständen kommt es zu Anbackungen der Rücklaufasche unterhalb des Zyklonabscheiders 2 im senkrechten Teil des Rohres 1, so daß eine Verstopfung des Siphons auftritt. Diese Verstopfung konnte bisher nur durch Einblasen von Luft in Pfeilrichtung behoben werden.

Nach dem Erfindungsvorschlag wird nunmehr das Rücklaufrohr 1 wie in Fig. 3b dargestellt, ausgeführt, so daß unmittelbar nach dem Zyklonabscheider 2 eine geradlinie Verbindung zum Wirbelbettre­ aktor 3 hergestellt wird. In dem schräggehaltenen Rücklaufrohr 1 ist die Pendelklappe 4 angeordnet. Diese ist in ihrer besonde­ ren Anordnung in vergrößerter Darstellung aus Fig. 3c ersicht­ lich.

Nach Fig. 3c kann das Lager 5 der Pendelklappe 4 bis dicht an die Einmündung 11 des Rücklaufrohres 1 in den Wirbelbettreaktor 3 herangeführt werden. Auch dieses ist ein Vorteil für kurze reaktionsfähige und kleine Baugruppen, die hierdurch ermöglicht werden.

In Fig. 3d ist der Schwenkbereich (Pfeilrichtung) der erfin­ dungsgemäßen Pendelklappe innerhalb des Rücklaufrohres 1 darge­ stellt. Je nach dem, welcher Staudruck erforderlich ist, können zusätzliche Gewichte 12 zur Verzögerung der Klappenöffnungsbewe­ gung angebracht werden. Das Lager 5 der Pendelklappe 4 kann auch außerhalb des Rohres 1 angeordnet sein, wobei dann der für die Schwenkbewegung benötigte Schlitz in der Rohrwandung mit einer entsprechend geformten Abdeckung 13 abgedichtet werden sollte.

In Fig. 3e ist eine Alternative der erfindungsgemäßen Pendelklappe dargestellt. Hier ist das Lager 5 als separates Teil ausgebildet, das über bewegliche Scharnierelemente 14a, b mit dem Klappenkörper 15 verbunden ist. Im Klappenkörper 15 sind Schlitze 16a, b, c, d in symmetrischer Anordnung eingebracht.

Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Pendelklappe zeigt Fig. 3f. Das Lager 5 ist hier als Rohrkörper ausgebildet und die Klappensegmente 16 im Abstand voneinander an der Welle des La­ gers 5 fixiert. Die Außenkontur der Segmente 16 ist der Rohr­ wandung angepaßt, so daß die außenliegenden Segmente im Ver­ gleich zum mittleren Segmentteil verkürzt sind.

Der Mündungsteil des Rücklaufrohres 1 ist in Fig. 4 im prinzi­ piellem Aufbau dargestellt. Nach Passieren der Pendelklappe 4 gelangt die Rücklaufasche über einen Düsenkörper 17 in den Reak­ tionsraum 18, in dem beispielsweise eine zirkulierende Wirbel­ schicht sich ausbildet. Über eine weitere Leitung 19 werden alternative Brennstoffe, wie z. B. Industrieschlämme, Ballastkoh­ le, Braunkohle, Petrolkokse und Ölschiefer eingedüst. Beide Leitungen 1 und 19 sind in einer gemeinsamen Düse 17 zusammen­ geführt, so daß die verschiedenartigen Brennstoffe und die Rück­ laufasche in unmittelbare Nachbarschaft in den Reaktionsraum 18 gelangen.

Dieses ist wichtig für die Ausbildung eines Konzentrationspro­ fils innerhalb der zirkulierenden Wirbelschicht. Gassträhnen sollen vermieden werden und eine gleichmäßige Verteilung von Grob- und Feinpartikeln in der Reaktionszone erfolgen.

Bei einer anfänglichen Zugabe feiner Teilchen von unten bildet sich eine Staubwolke aus, in die hinein Grobpartikel eingeblasen werden. Es bildet sich dann eine Dispersion verschiedener Teil­ chengrößen aus, wobei die am unteren Ende eingeblasenen Feinst­ partikel einen mittleren Durchmesser von ca. 10 bis 15 µm haben und wobei die Schwebeteilchen aufgrund ihrer gegenüber der rei­ nen Gasphase erhöhten Dichte die groben Partikel in die obere Reaktionszone transportieren.

Die Eindüsung der heißen Rücklaufasche geschieht über die Rück­ laufleitung 1 direkt am Eintritt in den Ofen zusammen mit den alternativen Brennstoffen, wobei der Vermischungszeitraum mit den heißen Partikeln möglichst kurz gehalten werden muß. Sonst bilden sich Gassträhnen mit unverbrannten Kohlenwassrstoffen aus, die erst später zünden, so daß dann die Temperaturschere zwischen dem Ofenboden und dem Ofenkopf auseinanderklafft.

Durch eine vergleichmäßigte Temperaturausbildung kann die Dio­ xinbildung unterdrückt werden. Die gemeinsame Eindüsung hat ferner den Vorteil, daß bei der Einleitung flüssiger Brennstoffe eine verbesserte Verbrennung durch Ausbildung einer Dispersion mit der heißen Rücklaufasche erfolgen kann. Bei pastösen Stoffen werden die darin enthaltenen alternativen Brennstoffe mittels der heißen Rücklaufasche auf eine hohe Temperatur gebracht und sind damit schneller zündfähig als bei der herkömmlichen ge­ trennte Einspeisungen.

Durch die unterschiedlichen Körnungen kann auch der Kamineffekt und damit die Ausbildung von Temperatursträhnen im Reaktorbett vermieden werden.

Als Beispiel für einen typischen Anwendungsfall kann eine Menge von 2000 t Rücklaufasche pro Stunde angegeben werden, die in einem Wirbelbettreaktor der eingangs genannten Art zirkuliert. Diese Asche ist erforderlich, um die Funktionsweise der zirku­ lierenden Wirbelschicht aufrechtzuerhalten, wobei die Asche als Trägermedium für die Herbeiführung des Schwebezustandes verwen­ det wird. Der Zyklonabscheider sorgt dafür, daß nur der Feinst­ staub für die Ausbildung des Trägermediums bei der zirkulieren­ den Wirbelschicht herangezogen wird.

Claims (8)

1. Ventilvorrichtung für die dosierte Einleitung von Feinst­ asche in einen Wirbelschichtreaktor, der sowohl für her­ kömmliche Brennstoffe als auch für alternative Brennstoffe mit geringem Brennwert eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Feinstasche zusammen mit Grobpartikeln der übrigen Brennstoffe am unteren Ende der Reaktionszone des Wirbel­ schichtreaktors eingespeist wird,
daß die Ventilvorrichtung aus einer in einem Rücklaufrohr (1) angeordneten Pendelklappe (4) besteht, die aus mehre­ ren, mit einem Lager (5) verbundenen Segmenten (6a, 6b) gebildet wird, zwischen denen Spaltöffnungen (7a, 7b) an­ geordnet sind,
wobei im Anfahrzustand die Pendelklappe (4) das Rücklauf­ rohr (1) verschließt und im Betriebszustand die Pendelklap­ pe (4) in Abhängigkeit von der recyklierten Feinststaubmen­ ge geöffnet wird.

2. Ventilvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pendelklappe (4) ein Lager (5) aus Keramikteilen aufweist, wobei ein Paßteil (10) als Lagerachse und Seg­ mentteile (6a, 6b), die Schlitze (9) am Kopfende (8) auf­ weisen, formschlüssig miteinander verbunden sind.

3. Ventilvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Klappensegmenten (6a, 6b, 6c) angeord­ neten Schlitze (7a, 7b) in ihrer Schlitzweite variabel sind.

4. Ventilvorrichtung für die dosierte Einleitung von Fein­ stasche in einen Wirbelschichtreaktor, der sowohl für her­ kömmliche Brennstoffe als auch für alternative Brennstoffe mit geringem Brennwert eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Feinstasche zusammen mit Grobpartikeln der übrigen Brennstoffe am unteren Ende der Reaktionszone des Wirbel­ schichtreaktors eingespeist wird,
daß die Ventilvorrichtung aus einer in einem Rücklaufrohr (1) angeordneten Pendelklappe (4) besteht, die einen mit Schlitzen (16a, 16b, 16c, 16d) versehenen vollen Körper (15) aufweist, der über bewegliche Scharnierelemente (14a, 14b) mit einem Lager (5) verbunden ist,
wobei im Anfahrzustand die Pendelklappe (4) das Rücklauf­ rohr (1) verschließt und im Betriebszustand die Pendelklap­ pe (4) in Abhängigkeit von der recyklierten Feinststaubmen­ ge geöffnet wird.

5. Ventilvorrichtung für die dosierte Einleitung von Fein­ stasche in einen Wirbelschichtreaktor, der sowohl für her­ kömmliche Brennstoffe als auch für alternative Brennstoffe mit geringem Brennwert eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Feinstasche zusammen mit Grobpartikeln der übrigen Brennstoffe am unteren Ende der Reaktionszone des Wirbel­ schichtreaktors eingespeist wird,
daß die Ventilvorrichtung aus einer in einem Rücklaufrohr (1) angeordneten Pendelklappe (4) besteht, die an einem als Rohrkörper ausgebildeten Lager (5) angeordnet ist, wobei Klappensegmente (16) im Abstand voneinander an der Welle des Lagers (5) fixiert sind und die Außenkontur der Segmen­ te (16) an den Verlauf der Rohrwandung angepaßt ist,
und wobei im Anfahrzustand die Pendelklappe (4) das Rück­ laufrohr (1) verschließt und im Betriebszustand die Pendel­ klappe (4) in Abhängigkeit von der recyklierten Feinst­ staubmenge geöffnet wird.

6. Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pendelklappe (4) aus keramischem Material gefertigt ist.

7. Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (5) der Pendelklappe (4) innerhalb des Rück­ laufrohres (1) angeordnet ist.

8. Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (5) von innen gekühlt ist.