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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Apparatur
zum Betreiben eines Reaktors mit zirkulierender Wirbelschicht, der
einen Abscheider zur Abscheidung von mitgeführten Feststoffpartikeln aus
dem Abgas und Rückführung der abgeschiedenen
Partikel in die Brennkammer aufweist. Die Erfindung bezieht sich
insbesondere auf die Zusammensetzung des Bettmaterials und versucht,
mit der Regelung des Bettinhalts und der Bodenaschenquantität verbundenen
Problemen beizukommen.
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Reaktoren
mit zirkulierender Wirbelschicht werden seit Jahrzehnten eingesetzt
und sind zum Beispiel Fachleuchten der Energieerzeugung bekannt.
Die Reaktoren mit zirkulierender Wirbelschicht können Vergaser, Feuerungen,
Dampferzeuger oder Vorrichtungen jedes anderen ähnlichen Typs sein, wie es
einem vom Fach einleuchtet. Die Wirbelschichtreaktoren haben normalerweise
eine senkrechte Feuerung oder Reaktionskammer, in deren unteren
Teil der Brennstoff eingeführt
wird. Primär- und
Sekundärgase,
normalerweise Luft, werden durch den Boden und die Seitenwände der
Feuerung aufgegeben. Die Verbrennung des Brennstoffs findet in einer
schnellen Wirbelschicht statt, die außer Brennstoffpartikeln normalerweise
auch Kalkstein enthält.
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Ein
Partikelabscheider steht über
eine Ablauföffnung
mit dem oberen Ende der Feuerung in Verbindung. Ein Ablaufkanal
verbindet die Ablauföffnung
mit dem Partikelabscheider. Heißes
Abgas wird aus der Feuerung abgezogen und fließt durch die Ablauföffnung und
den Ablaufkanal in den Partikelabscheider. Der Partikelabscheider
eines Kessels mit zirkulierender Wirbelschicht ist normalerweise
ein Zyklon. Wenn ein Zyklon benutzt wird, überträgt der Ablaufkanal das Abgas
samt den mitgeführten
Feststoffpartikeln tangential in den oberen Teil des Zyklonabscheiders.
Der Zyklonabscheider oder ein anderer Partikelabscheider, zum Beispiel
ein Prallabscheider, trennt Feststoffpartikel aus dem heißen Abgas, welche
Feststoffpartikel durch Schwerkraft dem unteren Ende des Abscheiders
zugeführt
werden.
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Das
untere Ende des Partikelabscheiders, wo sich die Feststoffpartikel
ansammeln, ist mit dem oberen Ende eines vertikalen Rückführkanals
verbunden. Das gegenüberliegende
oder untere Ende des Rückführkanals
hat einen mit der Feuerung verbundenen Auslass zur Rückführung der
abgeschiedenen Feststoffpartikel vom Partikelabscheider zur Feuerung.
Feststoffpartikel, die vom Boden der Feuerung entfernt werden, werden
als Bodenasche bezeichnet, während
derjenige Teil des Feststoffs, der den Partikelabscheider mit den
Abgasen verlässt, Flugasche
genannt wird.
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Kessel
mit zirkulierender Wirbelschicht mit Partikelabscheidern zum Beispiel
des Zyklontyps, zur Abscheidung von mitgeführten Feststoffpartikeln aus
Abgas und Rückführung der
abgeschiedenen Partikel zurück
in die Brennkammer des Kessels, sind wohlbekannt. Beispiele für solche
Systeme sind in den
US-Patenten
Nr. 4,733,621 und
5,281,398 dargelegt.
Beim ersteren Patent werden die im Zyklonabscheider getrennten Teilchen
zum Kessel durch eine geteilte Sperrschleife zurückgeführt. Das
US-Patent Nr. 5,281,398 stellt einen
Fliehkraftabscheider dar, der aus flachen Wasserrohrpaneelen hergestellt
ist. Diese Art Zyklon kann in der Feuerung derart integriert sein,
dass es keinen Ablaufkanal zwischen Feuerung und Zyklon gibt.
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Das
US-Patent Nr. 5,159,886 stellt
einen Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender Wirbelschicht dar,
wo, um den in die Atmosphäre
entweichenden N
2O-Gehalt zu minimieren,
im unteren Teil der Brennkammer durch Verkohlung erzeugte Gase in
eine Abgasleitung stromabwärts
vom Zyklonabscheider geleitet werden.
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Die
Zyklonabscheider für
Reaktoren mit zirkulierender Wirbelschicht sind im Verlauf der vergangenen
Jahrzehnte derart verbessert worden, dass sie sehr effektiv geworden
sind. Unter normalen Betriebsverhältnissen können sie ungefähr 99,9
Prozent des die Brennkammer mit dem Abgas verlassenden Feststoffs
abtrennen. Eine effektive Abscheidung von Feststoffpartikeln aus
Abgasen ist stets eine anstrebenswerte Eigenschaft. Zum Beispiel,
je besser die Wirkung der Abscheidung ist, desto höher ist
der Verbrennungswirkungsgrad. Eine sehr hohe Abscheideleistung kann
jedoch auch einige Probleme oder Nachteile im Prozess zur Folge
haben. Sie kann zum Beispiel zu einem hohen Bodenaschengehalt im
Vergleich zur Flugasche führen.
Wenn der Anteil von Bodenasche hoch ist, wird eine effektive Bodenaschenentfernung
benötigt,
um das erforderliche Bettinventar (d. h. die Zusammensetzung des
Bettmaterials) in richtigem Zustand zu halten.
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Weil
die Temperatur der Bodenasche in der Größenordnung von ungefähr 600 bis
ungefähr 900°C ist, werden
Aschenkühler
benötigt,
um die Aschentemperatur auf ungefähr 300°C herunterzubringen, so dass
die Asche sicher aus dem Reaktor abgezogen werden kann. Je mehr
Bodenasche aus dem Reaktor entfernt werden muss, desto teurer (i.
e. von höherer
Kapazität)
die sowohl für
den Abzug als auch für
die Abkühlung
der Bodenasche benötigte Ausrüstung.
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Eine
sehr hohe Abscheideleistung kann auch problematisch werden, wenn
z. B. die Qualität des
Brennstoffs auf eine Weise variiert, die zur Bildung einer übermäßigen Menge
von Feinpartikeln im Bett führt.
Wenn der Partikelabscheider einen sehr hohen Anteil der Feinpartikel
rückführt, kann
das resultierende hohe Feinpartikel-Bettinventar z. B. zu einem
sehr hohen Wärmeübergangsleistung
in der Feuerung führen.
Falls die Wärmeübergangsleistung ihren
Auslegungswert übersteigt,
ist das Bett geneigt, auf eine niedrigere Temperatur auszukühlen, was
z. B. zu gesteigerten Emissionen in die Umgebung führt.
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Die
vorliegende Erfindung sieht ein verbessertes Verfahren und eine
Apparatur zum Betreiben eines Reaktors mit zirkulierender Wirbelschicht
vor.
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Einem
Aspekt zufolge sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum
Betreiben eines Reaktors mit zirkulierender Wirbelschicht vor, umfassend eine
Feuerung mit einer Ablauföffnung
für Abgas,
einen Partikelabscheider, der mit der Ablauföffnung verbunden ist und einen
Auslass fürs
Abgas und einen Rückführkanal
für den
abgeschiedenen Feststoff aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte:
Anordnung eines den Partikelabscheider umgehenden Bypasskanals und
Leitung eines Teilstroms von Abgas und mitgeführten Feststoffpartikeln im
Kanal vom oberen Teil der Feuerung zum Abgaskanal, um den Feststoffpartikelgehalt
des Abgases nach dem Abscheider anzuheben.
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Diesem
Verfahren zufolge verringert der den Partikelabscheider umgehende
Abgasstrom die vom Abscheider getrennte Feststoffpartikelmenge,
wobei der Feststoffinhalt und die Ansammlung von Bodenasche – in der
Feuerung verringert werden.
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Einem
anderen Aspekt zufolge sieht die vorliegende Erfindung eine Apparatur
vor, die eine Einstellung des Bettinhalts auf solche Weise ermöglicht, dass
die Zusammensetzung des Bettmaterials in einem optimalen Zustand
gehalten werden kann. Bevorzugt umfasst solch eine Apparatur eine
Feuerung, eine Ablauföffnung
fürs Entfernen
von Abgas samt mitgeführten
Feststoffpartikeln aus der Feuerung, einen Partikelabscheider (bevorzugt
einen Zyklonabscheider), der mit der Ablauföffnung zur Abscheidung von
Feststoffpartikeln aus dem Abgas verbunden ist, welcher Partikelabscheider
einen mit einem Abgaskanal verbundenen Auslass fürs Abgas und einen Feststoffauslass,
der mit einem Rückführkanal
zur Rückführung des
abgeschiedenen Feststoffs zurück in
den unteren Teil der Feuerung, und Mittel zur Leitung eines Teils
von Abgas und mitgeführten
Feststoffpartikeln vom oberen Teil der Feuerung zum Abgaskanal am
Partikelabscheider vorbei, um die Menge des dem Abscheider zufließenden Feststoffs
zu verringern.
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Die
Leitungsmittel umfassen einen Bypasskanal, dessen erstes Ende stromaufwärts vom
Partikelabscheider verbunden, und dessen zweites Ende mit dem Abgaskanal
stromabwärts
vom Partikelabscheider verbunden ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das erste Ende des Bypasskanals mit
dem oberen Teil der Feuerung verbunden.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das erste Ende des Bypasskanals mit
dem Ablaufkanal zwischen dem oberen Teil der Feuerung und dem Partikelabscheider
verbunden.
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Folglich
sieht die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise ein neuartiges
und verbessertes Verfahren und eine Apparatur zur Einstellung der
Zusammensetzung des Bettmaterials vor, so dass die Menge der Bodenasche
in annehmbaren Grenzen bleibt.
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Außer der
bereits erwähnten
kleineren und weniger teuren Bodenaschen-Behandlungsvorrichtung bringt die vorliegende
Erfindung zahlreiche Vorteile zustande. Zum Beispiel verleiht sie
der Feuerung betriebliche Flexibilität und somit, indem die Proportionen
von Bodenasche und Flugasche geändert
werden können,
lassen sich beim Brennstoff Änderungen
leichter vornehmen, der Wärmeverlust
ist geringer, und sie kann zur Regelung der Temperatur und/oder
Wärmeübertragung
in der Feuerung herangezogen werden.
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Die
obige Kurzbeschreibung sowie weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung gehen vollständiger aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung der derzeit bevorzugten, aber nichtsdestoweniger veranschaulichenden
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung hervor, wenn sie in Verbindung mit den
beigefügten
Zeichnungen betrachtet wird.
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1 ist
eine schematische Seitenansicht eines Reaktors mit zirkulierender
Wirbelschicht, die darstellt, in welcher Weise das Abgas in Verbrennungsprozessen
nach dem Stand der Technik behandelt wird.
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2 ist
eine schematische Seitenansicht des oberen Teils eines Reaktors
mit zirkulierender Wirbelschicht, die eine bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung darstellt.
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3 ist
eine schematische Seitenansicht des oberen Teils eines Reaktors
mit zirkulierender Wirbelschicht, die eine andere bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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4 ist
eine schematische Seitenansicht des oberen Teils eines Reaktors
mit zirkulierender Wirbelschicht, die eine noch weitere bevorzugte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Im
Einzelnen ist in den Zeichnungen in 1 das Gesamtschema
eines typischen Reaktorsystems 10 mit zirkulierender Wirbelschicht
dargestellt. Partikelförmiger
Brennstoff, inertes Bettmaterial und eventuelles Hilfsmaterial,
etwa Kalkstein, werden durch Feststoffaufgabevorrichtungen 14,
etwa Schneckenaufgeber oder pneumatische Aufgeber in die Feuerung 12 des
Reaktorsystems 10 eingeführt. Die Feststoffe bilden
ein Bett, das durch Primärgas 16 fluidisiert
wird, das durch einen Bodenrost 18 eingeführt wird.
In einer zirkulierenden Wirbelschicht ist die Geschwindigkeit des
Fluidisierungsgases in der Feuerung typisch ungefähr 4 m/s
bis ungefähr
9 m/s. Die Reaktionen, etwa Verbrennung, des Brennstoffs, werden
durch Sekundärgas 20 durchgeführt, das durch
die Seitenwände 22 der
Feuerung 12 eingeführt
wird.
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Die
Reaktionen in der Feuerung 12 produzieren Gase, etwa Rauchgase,
die zusammen mit den aus der Feuerung 12 mit den Gasen
mitgeführten Partikeln
durch eine Ablauföffnung 24 in
einen Ablaufkanal 26 und weiter zu einem Partikelabscheider 28 abgezogen
werden. Im Partikelabscheider 28, der normalerweise ein
Zyklonabscheider ist, wird das meiste (zum Beispiel 99,9%) der mit
den Abgasen mitgeführten
Partikel von den Abgasen getrennt. Die abgeschiedenen Partikel werden
in einem Rückführkanal 30,
der mit dem Boden des Abscheiders 28 verbunden ist, über einen
Gasverschluss 32 zurück
zum unteren Teil der Feuerung 12 geleitet.
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Gereinigte
Abgase werden aus dem Partikelabscheider 28 durch einen
zentralen Gasauslass 34, der normalerweise im oberen Teil
des Abscheiders angeordnet ist, in einen Abgaskanal 36 abgezogen. Im
Abgaskanal 36 werden die Gase normalerweise durch einen
Wärmerückgewinnungsbereich 38 und einen
Staubabscheider 40 zu einem Schornstein 42 geleitet.
Der Abgaskanal 36 kann weitere Komponenten, etwa Gasreinigungskomponenten
oder dergleichen umfassen, die Fachleuten bekannt, in 1 aber
nicht dargestellt sind.
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Ein
Teil der aus der Feuerung 12 durch die Ablauföffnung 24 abgezogenen
Feststoffpartikel – die so
genannte Flugasche – wird
im Partikelabscheider 28 nicht aus den Abgasen getrennt,
sondern entweicht durch den Gasauslass 34. Ein Teil der
Flugasche kann in einem Trichter 44 aufgefangen werden, der
im Abgaskanal 36 angeordnet ist, doch das meiste davon
wird vom Staubabscheider 40 gesammelt. Derjenige Teil des
Feststoffs in der Feuerung 12, der durch den Gasauslass 34 nicht
entweicht, wird schließlich
aus der Feuerung als Bodenasche 46 abgezogen. Wenn die
Bodenasche normalerweise bei einer Temperatur von ungefähr 650 bis
ungefähr 850°C vorliegt,
wird sie durch einen Bodenaschenkühler 48 auf eine niedrigere
Temperatur (z. B. ungefähr
300°C) abgekühlt, bevor
sie aus dem Reaktor 10 abgezogen wird.
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In
der ersten bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, die schematisch in 2 dargestellt
ist, sind Feuerung 12, Partikelabscheider 28,
Ablaufkanal 26 dazwischen, Rückführkanal 30, Gasauslass 34 und
der stromaufwärts
gelegene Teil des Abgaskanals 36 genau wie in 1 dargestellt. 2 zeigt
auch einen Bypasskanal 50, der zwischen dem oberen Teil
der Feuerung 12 und dem Abgaskanal 36 gekoppelt
ist. Wegen der Druckdifferenz zwischen Feuerung 12 und
Abgaskanal 36 ist ein Strom von Gas und mitgeführtem Feinstoff
geneigt, durch den Kanal 50 zu fließen und somit den Partikelabscheider 28 zu
umgehen.
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Bei
der in 2 gezeigten Ausführungsform ist der obere Teil
der Feuerung 12 mit einer anderen Auslassöffnung 52 versehen,
die mit dem ersten Ende des Bypasskanals 50 verbunden ist.
Als andere Alternative kann das erste Ende des Bypasskanals 50 kann
mit demselben Auslass 24 mit Ablaufkanal 26 zum
Beispiel durch ein Zweigrohr verbunden sein. Als noch weitere Alternative
kann das erste Ende des Bypasskanals 50 mit dem Ablaufkanal 26 irgendwo zwischen
der Auslassöffnung 24 und
dem Einlass zum Partikelabscheider 28 verbunden sein.
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Ungeachtet
der genauen Position und Konstruktion des Bypasskanals 50 besteht
der Zweck des Bypasskanals 50 darin, einen Teil der Abgase und
etwas von den, von den Abgasen mitgeführten Feststoffpartikeln von
der Feuerung 12 aufzunehmen und den aufgenommen Teil des
Abgases dem Abgaskanal 36 stromabwärts vom Partikelabscheider 28 zuzuführen. Hierdurch
wird ein Teil der Feststoffpartikel endgültig aus dem Wirbelschicht-Kreislauf herausgenommen
und der Feuerung 12 nicht zurückgeführt. Dadurch wird die Menge
der im Trichter 44 und dem Staubabscheider 40 angesammelten
Flugasche vergrößert. Entsprechend
wird auch die Menge des in Feuerung 12 und Partikelabscheider 28 zirkulierenden
Bettmaterials verringert. Schließlich wird auch die Menge der
vom Boden der Feuerung 12 abzuziehenden Bodenasche 46 verringert.
Bei dieser Ausführungsform
bestimmen die Bemessung und Geometrie des Bypasskanals 50 die
Feststoffmenge, die zum Zyklonabscheider-Auslassstrom geleitet wird.
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Eine
andere bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist in 3 dargestellt. Bei
dieser Ausführungsform
ist der Bypasskanal 50 mit zusätzlichen Mitteln zur Regelung
des Abgasstroms im Bypasskanal 50 versehen. Bei dieser
Ausführungsform
umfassen die Regelungsmittel eine Gasleitung 54, die mit
einem Dämpfungsregler 56, etwa
einem Drosselventil ausgestattet ist. Die zusätzliche Gasleitung 54 wird
zur Einführung
von Gas, etwa Luft, in den Bypasskanal 50 benutzt, um die Menge
von Abgasen und Feststoffpartikeln herabzusetzen, die durch den
Bypasskanal 50 von der Feuerung 12 zum Abgaskanal 36 fließen. Durch
Benutzung des Dämpfungsreglers 56 können die
Menge des eingeführten
Gases und die Menge von vorbeifließendem Gas und Partikeln eingestellt
werden. Wenn über
die Gasleitung 54 mehr Gas eingeführt wird, fließen weniger
Abgase und Feststoffpartikel am Partikelabscheider 28 vorbei.
Das durch die Rohrleitung 54 fließende Mittel kann zum Beispiel Luft
oder rückgeführtes Rauchgas
sein.
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Eine
noch weitere bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 4 dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform
umfassen die Regelungsmittel ein Regelventil 58, das direkt
im Bypasskanal 50 installiert ist. Diese Ausführungsform bietet
die größtmögliche Flexibilität, weil
beim Hineinfließen
des Abgases der Bypasskanal zwischen einer vollständig geschlossenen
und völlig
offenen Position eingestellt werden kann. Andere geeignete Regelungsmittel
können
einen Durchgang und eine Öffnung umfassen,
wodurch Abgas und mitgeführte Partikel
in den Rauchgaskanal stromaufwärts
vom Partikelabscheider gelangen können.
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Wie
es einem vom Fach einleuchtet, könnte das
erste Ende des Bypasskanals auch auf verschiedene unterschiedliche
Weisen stromaufwärts
vom Partikelabscheider 28 in den Ausführungsformen von 3 und 4 verbunden
sein, wie es oben unter Bezugnahme auf die in 2 dargestellte
Ausführungsform
beschrieben wurde.
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Das
Resultat in der zweiten und dritten Ausführungsform besteht im Vergleich
zur ersten, dass die Zusammensetzung des Bettmaterials besser kontrolliert
werden kann. Das heißt,
Menge und Partikelgrößenverteilung
des Bettmaterials können
besser den Anforderungen des Wirbelschichtprozesses entsprechend
eingestellt werden.
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Der
Bypasskanal 50 kann aus feuerfesten ausgekleideten Rohren
oder Rohrleitungen hergestellt sein, oder sie können Rohre oder Komponenten sein,
die mit einem geeigneten Metall und/oder keramischem Material ausgekleidet
sind. Einem vom Fach leuchtet es ein, dass die Auskleidung sowohl hoher
Temperatur als auch hoher Geschwindigkeit des Feststoffs standhalten
muss. Geeignete Auskleidungsmaterialien sind einem vom Fach wohl
bekannt.
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Während die
Erfindung anhand von Beispielen für Ausführungsformen beschrieben wurde,
die man derzeit für
bevorzugt hält,
versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten
Ausführungsformen
begrenzt ist, sondern verschiedene Kombinationen oder Modifikationen
der Merkmale und Anwendungen im Schutzumfang der Erfindung erfassen
soll, wie er durch die beigefügten
Ansprüchen
festgelegt ist.