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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Rostkonstruktion für einen
Wirbelschichtreaktor und ein Verfahren, solch eine Rostkonstruktion
fürs Entfernen
von Grobmaterial vom Boden eines Wirbelschichtreaktors zu benutzen.
Im Besonderen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine beständige Rostkonstruktion,
die fürs
zuverlässige
und effektive Entfernen von Grobmaterial aus einem Wirbelschichtreaktor
optimiert ist.
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Wirbelschichtreaktoren
umfassen eine durch vertikale Wände
abgegrenzte Reaktionskammer, worin eine Wirbelschicht aus Feststoffpartikeln
aufrechterhalten wird, einen Windkasten in einem unteren Teil des
Reaktors unterhalb der Reaktionskammer und eine Rostkonstruktion
zwischen Reaktionskammer und Windkasten zur Aufnahme der Wirbelschicht
in der Reaktionskammer. In der Rostkonstruktion gibt es typisch
Mittel, etwa Düsen
zur Verteilung von Fluidisierungsluft oder anderem Gas aus dem Windkasten
in die Reaktionskammer.
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Wirbelschichtreaktoren
werden für
verschiedene Prozesse eingesetzt, etwa Verbrennung oder Vergasung
von Festbrennstoff, die grobes Rückstandsmaterial
erzeugen können,
das sich auf dem Boden der Reaktionskammer, d. h. auf dem Rost ansammelt.
Die Ansammlung von Grobmaterial kann besonders dann ein Problem
sein, wenn in der Reaktionskammer an nichtbrennbarem Material, etwa Steinen
oder Eisenschrott reiche Festbrennstoffe verarbeitet werden, oder
wenn der Prozess solches Grobmaterial, etwa Ascheagglomerationen
erzeugt. Sich auf dem Rost ansammelndes Grobmaterial sollte entfernt
werden, bevor es mit dem Betrieb der Wirbelschicht nachteilig aufeinander
wirkt, z. B. durch Verhinderung von zweckentsprechender Verteilung von
Fluidisierungsgas oder Prozessgas in die Reaktionskammer. Dadurch
wird in Wirbelschichtreaktoren effiziente Ausrüstung für adäquate Entfernung von Grobmaterial
vom Boden des Reaktors benötigt. Normalerweise
ist zumindest ein Ablaufkanal am Boden der Reaktionskammer für den Abzug
von Feststoff (d. h. Grobmaterial) aus dem Reaktor vorgesehen.
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Oft
reichen jedoch ein konventioneller Materialablaufkanal oder einige
am Boden einer Reaktionskammer platzierte Materialauslassrohre fürs effektive
Entfernen von Grobmaterial nicht aus, weil durch die Fluidisierungsluft
erzeugte wahllose Bewegung nicht imstande ist, schwere oder ungünstig geformte
Stücke
horizontal über
lange Entfernungen zu befördern.
Ebenfalls wird die Wanderung von Material am Boden der Reaktionskammer
entlang besonders erschwert, wenn der Boden aufragende Luftdüsen oder
andere Unregelmäßigkeiten
aufweist, an denen sich das Grobmaterial festsetzen kann.
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Ein
Versuch, das Entfernen von Material vom Boden einer Wirbelschicht
zu verbessern besteht darin, direktionale Fluidisierungsluftdüsen zu benutzen, die
das Material durch Blasen zu der Ablauföffnung oder dem -kanal hinbefördern, wie
z. B. im US-Pat. Nr. 5,395,596 beschrieben ist. Getrennte Luftdüsen sind
jedoch erosionsanfällig,
und Grobmaterial kann sich in den Düsen festsetzen.
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Ein
anderer Lösungsvorschlag
besteht darin, dass der Boden der Reaktionskammer zum Auslass hin
abwärts
abgestuft oder geneigt sein könnte,
wobei die horizontale Wanderung des Materials durch die Gravitation
unterstützt
wird. Solch eine Lösung
ist zum Beispiel im US-Pat. Nr. 4,372,228 präsentiert worden. Das Problem
bei diesen Lösungen
kann jedoch in der Abrasion von Düsen und Bereichen in ihrer
unmittelbaren Nähe
bestehen, das durch das bewegte Material und die mit einer hohen
Geschwindigkeit zugeführte
Trägerluft
verursacht wird. Wegen der unterschiedlichen Bettdrücke an verschiedenen
Düsen ist
es auch schwierig, eine gleichmäßige Luftzufuhr über den
gesamten Rostbereich sicherzustellen, zumindest wenn der Boden bedeutende
Niveauunterschiede aufweist.
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Das
US-Pat. Nr. 4,748,916 stellt eine Düse mit einem wesentlich horizontalen
oberen Teil und eine Anordnung solcher Düsen dar, die am Boden einer
Wirbelschichtfeuerung angeordnet ist. Die Düsen leiten zwei divergierende
Luftstrahlen aus ihren vorderen Enden horizontal auf Bereiche zwischen
benachbarten Düsen
zu. Dieses Patent hat zum Ziel, eine langlebige Düse vorzusehen,
die Luft auf solche Weise zuführt,
dass Grobmaterial am Boden des Betts entlang bewegt werden kann.
Doch die Konstruktion ergibt ein höchst variierendes Strömungsgeschwindigkeitsfeld
am Boden, und somit gibt es in Bereichen mit niedriger Geschwindigkeit
ein Risiko von Erosion oder Ansammlung grober Partikel.
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Wie
aus der obigen Beschreibung des Stands der Technik zu erkennen ist,
gibt es einen Bedarf nach einer neuen Rostkonstruktion, mit der
sich Grobasche und andere nichtbrennbare Stoffe aus dem gesamten
Bodenbereich eines Wirbelschichtreaktors effizient und zuverlässig zum
Aschenaustrag befördert
werden können.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine verbesserte
Rostkonstruktion vorzusehen, bei der die oben erwähnten Nachteile minimiert
worden sind.
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Eine
besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
langlebige Rostkonstruktion mit verbesserter Grobmaterialaustragung vorzusehen.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Rostkonstruktion
vorzusehen, bei der das Festsetzen von Material an den Fluidisierungsluftdüsen minimiert
worden ist.
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Um
diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung zu erfüllen, sind
eine neue Vorrichtung und ein Verfahren vorgesehen, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen beschrieben
sind.
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Somit
ist der vorliegenden Erfindung zufolge eine Rostkonstruktion für einen
Wirbelschichtreaktoren vorgesehen, welcher Reaktor eine von im Wesentlichen
vertikalen Wänden
abgegrenzte Reaktionskammer, in der eine Wirbelschicht aus Feststoffpartikeln
aufrechterhalten wird, und einen Windkasten unterhalb der Reaktionskammer
in einem unteren Teil des Reaktors umfasst, welche Rostkonstruktion zwischen
Reaktionskammer und Windkasten positioniert ist und besteht aus
zumindest einem Ablaufkanal zur Entnahme von Grobmaterial aus der
Reaktionskammer, mehreren Düsensträngen mit
kontinuierlichen, glatte Oberflächen
bildenden Strukturen zur Verteilung von Fluidisierungsgas aus dem
Windkasten in die Reaktionskammer, um die Wirbelschicht in der Reaktionskammer
zu suspendieren, und kontinuierlichen Gruben zwischen den Düsensträngen, wobei
jeder Düsenstrang
an einer Seitenfläche
des betreffenden Düsenstrangs
mehrere Gasauslässe
mit einer Haupt-Gasströmungsrichtung
hat, um Fluidisierungsgasstrahlen auf eine benachbarte Grube zuzuleiten
und die Haupt-Gasströmungs richtung
der mehreren Gasauslässe
einen Winkel mit der Normale einer benachbarten Grube bildet, um
Feststoff an der Grube entlang auf einen des zumindest einen Ablaufskanals
zuzuleiten.
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Der
vorliegenden Erfindung zufolge ist ebenfalls ein Verfahren fürs Entfernen
von Grobmaterial aus einem Wirbelschichtreaktor vorgesehen, worin das
Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Aufrechterhalten einer
Wirbelschicht aus Feststoffpartikeln in einer Reaktionskammer des
Wirbelschichtreaktors durch Einspritzung von Fluidisierungsgasstrahlen
aus einem Windkasten in einem unteren Teil des Reaktors durch eine
Rostkonstruktion in die Reaktionskammer, welche Rostkonstruktion
mehrere Düsenstränge mit
kontinuierlichen Strukturen umfasst, die glatte Oberflächen zur
Verteilung von Fluidisierungsgas aus dem Windkasten in die Reaktionskammer
bilden, um die Wirbelschicht in der Reaktionskammer zu suspendieren,
und (b) Entfernen von Grobmaterial von einem Boden der Reaktionskammer,
worin Schritt (b) das Transportieren von Grobmaterial durch vereinigte,
von den Gasstrahlen gebildete Gasströme an mehreren Gruben entlang
umfasst, die in der Rostkonstruktion zwischen der mehreren Düsensträngen angeordnet
sind.
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Die
Rostkonstruktion gemäß der vorliegenden
Erfindung, die Düsenstränge und
Gruben zwischen den Düsensträngen umfasst,
unterscheidet sich von einem so genannten Luftstabrost insofern, als
bei der vorliegenden Erfindung die Gruben in der Regel feststoffdicht
sind und Grobmaterial somit nicht zwischen den Düsensträngen hindurch in einen Sammeltrichter
unter dem Rost fällt.
Eine wesentliche Funktion des Rosts besteht darin, Mittel zur Beförderung
von Grobmaterial horizontal an den Gruben entlang zum Beispiel zu
einem Ablaufkanal vorzusehen. Die Düsenstränge und Gruben sind einfache,
kontinuierliche Strukturen, die glatte Oberflächen und eine wohldefiniertes
Fluidisierungsgas-Geschwindigkeitsfeld
bieten, um Grobmaterial effizient und zuverlässig auf dem Rost zu befördern.
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Einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zufolge umfassen die mehreren Düsenstränge mehrere
Düseneinheiten
mit Seitenflächen
und Stirnflächen,
worin aufeinander folgende Düseneinheiten über ihre
Stirnflächen
in gegenseitigem Kontakt stehen, um einen der mehreren Düsenstränge zu bilden.
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Bevorzugt
umfassen die Düsenstränge Gasauslässe an ihren
zwei gegenüberliegenden
Seitenflächen,
um Fluidisierungsgasstrahlen in zwei benachbarte Gruben zu leiten.
Die Strömungsrichtung der
Gasauslässe
kann im Wesentlichen horizontal sein, um einen im Wesentlichen horizontalen
Gasstrahl zu bilden. Durch Verwendung von horizontalen Gasstrahlen
wird die Effektivität
von Materialbeförderung
am Boden der Reaktionskammer entlang maximiert. Bei einigen Materialien
kann es jedoch vorteilhaft sein, eine etwas nach unten, um z. B.
ungefähr fünf bis zehn
Grad geneigte Gasströmungsrichtung zu
haben, um das Risiko von Rückströmung des
Materials zum Windkasten oder in die Düseneinheiten zu minimieren.
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Einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zufolge umfasst die Rostkonstruktion
einen oder mehrere Ablaufkanäle
für die Austragung
von Grobmaterial aus der Reaktionskammer, und die Strömungsrichtung
der Gasauslässe
bildet einen Winkel mit der Normale einer benachbarten Grube, um
Feststoff an der Grube entlang einem Ablaufkanal zuzuleiten. Bevorzugt
besteht die Rostkonstruktion aus mehreren Rostbereichen, die parallele
Düsenstränge und
Gruben umfassen und somit eine bestimmte Materialströmungsrichtung
haben. Die Rostbereiche sind derart angeordnet, dass Grobmaterial
schließlich
aus dem gesamten Rostbereich zu den Ablaufkanälen gesammelt wird.
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Die
Gasauslasskanäle
der Düsen
können
einen kreisförmigen
Querschnitt haben. Um aber eine sehr gleichmäßige Luftverteilung in den
Gruben zu erreichen, sind die Gasauslässe bevorzugt hauptsächlich horizontal,
d. h. ihre horizontale Breite ist viel größer als ihre jeweilige Höhe. Die
Breite der Gasauslässe
ist bevorzugt zumindest viermal ihre jeweilige Höhe. Wahlweise können die
Gasauslässe
mehrere kleinere Öffnungen
in einer Reihe umfassen. Die Breite der Gasauslässe kann einen beachtlichen
Teil der Seitenfläche
der Düseneinheiten
decken. Die gesamte horizontale Breite der Gasauslässe in einer Seitenfläche eines
Düsenstrangs
beträgt
zumindest ungefähr
20 %, bevorzugter zumindest ungefähr 40 % der gesamten horizontalen
Dimension der Seitenfläche
des jeweiligen Düsenstrangs.
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Um
das Gas den Gasauslässen
zuzuführen, können die
Düseneinheiten
einen vertikalen Kanal in Fliessverbindung mit dem Windkasten und
den Gasauslässen
umfassen. Gasauslassöffnungen
oder -kanäle
können
direkt mit dem vertikalen Kanal verbunden sein. Doch besonders bei
Benutzung von flachen Gasauslässen
umfassen die Düseneinheiten bevorzugt
einen im Wesentlichen horizontalen Mittelkanal, der den vertikalen
Kanal mit den Gasauslässen
verbindet. Der Mittelkanal kann eine in Strömungsrichtung abnehmende vertikale
Querschnittsfläche
haben, um eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit
in den flachen Gasauslässen
zustande zu bringen.
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Eine
gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit
ist sehr wichtig, weil sonst an Teilen der Auslässe Rückströmungen zur Düseneinheit
hin erzeugt werden können.
Eine Rückströmung kann
Material innerhalb der Düsen
ansammeln und schnelle Erosion der Düsen verursachen. Eine ungleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit
würde auch
eine unnötig hohe
Strömungsgeschwindigkeit
an einem Teil des Gasstrahls bedeuten, was das Risiko von Erosion wegen
des Auftreffens auf eine benachbarte Oberfläche, z. B. die Seitenfläche einer
Düse auf
der gegenüberliegenden
Seite einer benachbarten Grube erhöht.
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Das
durch die Düsen
bewirkte Strömungsgeschwindigkeitsfeld
wirkt sich stark auf die Effektivität der Übertragung von Grobmaterial
auf dem Boden des Reaktors aus. Bei Anwendung der vorliegenden Erfindung
kann ein wohldefiniertes Strömungsgeschwindigkeitsfeld
erreicht werden. Bei Optimierung von Anzahl, Größe und Form der Gasauslässe wird die
Gasströmung
in den Gruben gut an der Grube entlang geführt und hat eine relativ konstante
Geschwindigkeit, z. B. 30–50
m/s. Unmittelbar oberhalb der Gruben und Düsenstränge ist die Gasströmung noch
ziemlich gut geführt
und hat eine Geschwindigkeit von z. B. 10–30 m/s. Höher vom Reaktorboden ist die
Hauptrichtung der Gasströmung
aufwärts,
und die Geschwindigkeit ist auf einem Niveau der oberflächlichen
Fluidisierungsgeschwindigkeit, z. B. 2–8 m/s.
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Die
Strömungsgeschwindigkeiten,
die bei einer bestimmten Anwendung notwendig sind, richten sich
nach den Materialien und der Reaktorkonstruktion, die bei der Anwendung
eingesetzt werden. Mit der vorliegenden Rostkonstruktion werden
grobe Feststoffe effizient auf dem Boden des Reaktors ohne sehr
hohe Gasströmungsgeschwindigkeiten
an den Auslässen
der Düsen
transportiert. Somit ist das Risiko von Erosion des Rosts minimiert.
Mit der vorliegenden Konstruktion können die Strömungsgeschwindigkeiten
leicht durch Variieren der Dimensionen der Gasauslässe der
Düsen oder
des Drucks des Windkastens optimiert werden.
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Die
Gasauslässe
können
einfache Öffnungen
oder Kanäle
sein, die genügende
axiale Länge und
Seitenwände
haben, die die Strömungsrichtung des
Auslasses festlegen. Doch bei einigen Düseneinheitskonstruktionen gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es vorteilhaft, Leitelemente innerhalb der Gasauslasskanäle zu haben,
um die Direktionalität der
Gasstrahlen zu verbessern. Solche Leitelemente können z. B. benutzt werden,
wenn sehr breite, den größten Teil
der Seitenflächen
der Düsenstränge deckende
horizontale Gasauslässe
benutzt werden, um Gas gleichmäßig auf
die gesamten Gruben zu verteilen.
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Fluidisierungsgasdüsen müssen einen
genügenden
Druckabfall haben, um gleichmäßige und stabile
Fluidisierung in der Reaktionskammer sicherzustellen Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird der Haupt-Druckabfall der Düsen durch
eine Regelscheibe erreicht, die am oberen Teil des vertikalen Luftrohrs,
bevorzugt an der Oberkante des Rohrs angeordnet ist. Bevorzugt hat
die Regelscheibe ein Loch, dessen Größe eingestellt werden kann,
um den erforderlichen Druckabfall zu erhalten. Bei Benutzung der Luftdüsen in einem
geneigten Boden, müssen
die Druckabfälle
für Düsen auf
verschiedenen Höhen des
Bodens unterschiedlich sein, um einen gleichmäßigen Gasdurchfluss durch die
Düsen zu
erreichen. Mit einer Regelscheibe kann der Druckabfall der Düsen an hohen
Stellen des Bodens leicht eingestellt werden, so dass er höher als
der Druckabfall von Düsen
an niedrigeren Stellen ist.
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Als
Alternative zu einer Regelscheibe am Oberteil der vertikalen Luftrohre
kann der Druckabfall der Düsen
auch in anderen Bereichen der Konstruktion eingestellt werden. Der
Druckabfall kann durch eine Einengung am Bodenteil des vertikalen
Luftkanals, am Mittelkanal oder den Auslassöffnungen der Düsen eingestellt
werden. Doch eine Einengung am untersten Teil des Luftkanals vergrößert das
Risiko von Rückströmung, und
eine Einengung im Mittelkanal oder an den Auslassöffnungen
kann gleichmäßige Verteilung
der Gasströmung
behindern.
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Die
Düseneinheiten
werden vorteilhaft durch Gießen
hergestellt. Sie können
entweder aus Gussmetall oder Brennerstein hergestellt sein. Wenn
die Düseneinheiten
aus Brennerstein hergestellt sind, und die Gruben von feuerfestem Material
bedeckt sind, wird eine äußerst beständige Rostkonstruktion gebildet.
Doch weil die Rostdüsen
typisch in sehr rauen Verhältnissen
eingesetzt werden, müssen
sie nach einiger Betriebszeit durch neue Düsen ersetzt werden. Somit ist
leichte Austauschbarkeit ein wesentliches Merkmal der Rostdüsen. Aufgrund
einer vorteilhaften allgemeinen Form der vorliegenden Düsen können sie
auf viele vorteilhafte Weisen eingebaut werden. Eine Möglichkeit
besteht darin, die Düsen
direkt am vertikalen Luftkanal mittels eines Stifts quer über den
Düsen befestigen
werden. Eine andere Möglichkeit
ist es, die Düsen
durch Ösen
auf Seiten der Düsen
zu installieren. Wenn die Installation erfolgt ist, werden die Düsen vorteilhaft
in feuerfestem Material eingetaucht, das die Befestigungsmittel bedeckt
und sich bis auf das Niveau der Unterkante der Auslassöffnungen
erstreckt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
obige Kurzbeschreibung sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung weiß man
besser zu würdigen
anhand, der folgenden ausführlichen
Beschreibung der derzeit bevorzugten, aber nichtsdestoweniger veranschaulichenden
Ausführungsformen
gemäss
der vorliegenden Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
betrachtet werden. Es zeigt
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1 eine
schematische Schnittansicht eines Wirbelschichtreaktors mit einer
Rostkonstruktion gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 eine
schematische Ansicht eines Teils einer Rostkonstruktion gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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3a eine
schematische horizontale Schnittansicht von Düseneinheiten gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3b eine
schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht einer Düseneinheit
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3c eine
schematische vertikale Schnittansicht einer Düseneinheit gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3d eine
andere schematische vertikale Schnittansicht einer Düseneinheit gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4a eine
schematisch horizontale Schnittansicht einer Düseneinheit gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4b eine
schematische Seitenansicht einer Düseneinheit gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5a eine
schematische horizontal Schnittansicht einer Düseneinheit gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5b eine
schematische Seitenansicht einer Düseneinheit gemäß der dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5c eine
schematische vertikale Schnittansicht einer Düseneinheit gemäß der dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt
in Vertikalschnitt einen Wirbelschichtreaktor 10 mit einer
von vertikalen Wänden 14 abgegrenzten
Reaktionskammer 12, in der eine Wirbelschicht 16 aus
Feststoffpartikeln aufrechterhalten wird. In einem unteren Teil
des Reaktors 10 unterhalb der Reaktionskammer 12 befindet
sich ein Windkasten 18. Zwischen Reaktionskammer 12 und
Windkasten 18 ist ein Rost 20 positioniert, um
die Wirbelschicht 16 in der Reaktionskammer zu suspendieren. Das
Bett 16 wird in fluidisiertem Zustand durch Einführung von
Fluidisierungsgas durch Fluidisierungsgas-Einlassmittel 22 in
den Windkasten 18 gehalten, von wo das Gas durch im Rost 20 angeordnete
Düsenstränge 24 in
die Reaktionskammer 12 eingespritzt wird.
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1 zeigt
einen schnellen Wirbelschichtreaktor, wo die Geschwindigkeit des
Fluidisierungsgases in der Reaktionskammer 12 so hoch ist,
dass Feststoffpartikel, etwa Festbrennstoff, eventuelle Absorptionsmittel
und inertes Bettmaterial vom Fluidisierungsgas zum oberen Teil der
Reaktionskammer 12 und durch einen Auslass 26 zu
einem Zyklon 28 mitgeführt
werden. Im Zyklon 28 wird der größte Teil der von den Abgasen
mitgeführten
Feststoffpartikel aus den Abgasen getrennt. Die dadurch gereinigten Abgase
werden durch einen Gasabzug 30 abgeleitet, und die abgeschiedenen
Feststoffpartikel werden durch einen Rückführkanal 32 zurück zur Reaktionskammer 12 geleitet.
Wahlweise könnte
der Reaktor 10 auch ein Wirbelschichtreaktor eines anderen Typs,
etwa ein langsamer Wirbelschichtreaktor sein.
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Die
in der Reaktionskammer 12 ablaufenden Prozesse, wie Verbrennung
oder Vergasung von Festbrennstoff, produzieren normalerweise feines Restmaterial,
etwa Asche oder Koks, das darauf zurückzuführen ist, dass das Fluidisierungsgas
in konstanter starker Bewegung ist, und durch einen Ablaufkanal 34 aus
der Reaktionskammer 12 entfernt werden kann. Die Prozesse
in der Reaktionskammer 12 können jedoch auch groben Feststoff,
etwa Ascheagglomerationen erzeugen, die auf den Boden der Kammer 12 sinken
und nur durch besondere Maßnahmen
zum Auslass 34 driften. Der zur Reaktionskammer 12 durch
Einlassmittel 36 eingeführte Feststoff
kann auch grobe Feststoffpartikel, wie Steine oder Eisenschrott
enthalten, die vom Boden der Reaktionskammer 12 entfernt
werden müssen.
Um die Wanderung des Grobmaterials auf dem Boden der Reaktionskammer 12 zu
unterstützen,
kann der Rost 20 zum Ablaufkanal 34 hin geneigt
sein, wie in 1 dargestellt ist. Die vorliegende
Konstruktion des Rosts 20 bietet jedoch eine neue effektive
Vorrichtung und ein Verfahren zur Beförderung von Grobmaterial zum
Ablaufkanal 34 hin, wie in 2 detaillierter
dargestellt wird.
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2 stellt
einen Teil einer erfindungsgemäßen Rostkonstruktion 40 dar.
Die Rostkonstruktion 40 umfasst Düseneinheiten 42 mit
Stirnflächen 44 und
Seitenflächen 46.
Die Düseneinheiten 42 bilden kontinuierliche
Düsenstränge 48, 48', indem sie über ihre
Stirnflächen 44 in
gegenseitigem Kontakt stehen. Die Düsenstränge 48, 48' sind bevorzugt
einfache feste Stränge
ohne Vorsprünge
oder Vertiefungen, die ungleichmäßige und
instabile Fluidisierungsluft-Strömungsbilder
verursachen würden.
Solche ungleichmäßigen oder
instabilen Strömungsbilder würden die
Strömung
von Feststoff auf dem Rost erschweren und das Risiko von Erosion
der Rostkonstruktion 40 vergrößern. Zwischen jedem Paar benachbarter
paralleler Düsenstränge 48, 48' wird eine Grube 50,
d. h. ein glatter linearer Teil des Rosts 40 auf einem
Niveau unterhalb der Oberteile der Düsenstränge 48, 48' gebildet.
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Die
Seitenflächen 46 der
Düseneinheiten 42 umfassen
Gasauslässe 52,
durch die Fluidisierungsgasstrahlen 54 in die benachbarten
Gruben 50, 50' eingespritzt
werden. Die Gasauslässe 52 sind
bevorzugt so ausgebildet, dass sie die Gasstrahlen 54 mit einem
Winkel von z. B. ungefähr
20° bis
ungefähr
70° in Bezug
zur Normale der benachbarten Grube 50, 50' leiten. Somit
bilden die Gasstrahlen 54 in jeder Grube 50, 50' einen kombinierten
Gasstrom 56, der groben Feststoff effizient an der Grube 50 entlang
zu einer Feststoff-Ablauföffnung 58 hin
bewegt.
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Die
kombinierten Gasströme 56 können Feststoff
direkt zu der Ablauföffnung 58 oder
einem Sammelbereich 60 leiten, wo aus mehreren Gruben 50, 50' gesammeltes
Material z. B. durch einen effektiven Gasstrom 62 zur Ablauföffnung 58 hin
transportiert wird. Solch ein effektiver Gasstrom kann z. B. durch
besondere Gasauslassöffnungen 64 in
den Stirnflächen 44 der
Düsenstränge 42 benachbart zum
Sammelbereich 60 bewirkt werden. Der Boden des Sammelbereichs 60 kann
zur Ablauföffnung 58 hin
geneigt sein. Der Sammelbereich 60 kann auch Düsenstränge 66 senkrecht
zu den ersten Düsesträngen 48 umfassen.
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Wie
es einem vom Fach einleuchtet, gibt es viele alternative Möglichkeiten,
einen Bodenrost aus mehreren Rostabschnitten zu konstruieren, deren
jeder parallele Düsenstränge und
Gruben und Sammelbereiche umfasst, so dass grober Feststoff effizient
zu Ablauföffnungen
aus dem gesamten Bodenbereich eines Wirbelschichtreaktors transportiert
wird. Die Anordnung von Auslassöffnungen
in den Düsensträngen und
-einheiten kann von ihrer Position im Rost abhängig sein. Als Beispiel können Düsenstränge an einer
Kante des Rosts, wie der in 2 dargestellte
Düsenstrang 48'', Gasauslässe 52 nur an einer
Seitenfläche 46 umfassen.
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Die 3a, 3b, 3c und 3d zeigen
eine erste bevorzugte Ausführungsform
einer Düseneinheit 70,
die bei einer Rostkonstruktion 40 gemäß der vorliegenden Erfindung
zufolge einsetzbar ist. 3a zeigt
einen horizontalen Querschnitt der Düseneinheit 70 mit
zwei Gasauslässen 72 und 72' an den Seitenflächen 74,
beziehungsweise 74'' der Düseneinheit.
Fluidisierungsgasstrahlen 76, 76' werden durch die Gasauslässe 72, 72' in benachbarte
Gruben 78, 78' eingespritzt.
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Die
Düseneinheit 70 ist über ihre
Stirnflächen 80 und 80' mit ähnlichen
benachbarten Düseneinheiten 70' und 70'' verbunden. Die Düseneinheiten 70, 70', 70'' bilden einen Teil eines Düsenstrangs 82 mit glatten
kombinierten Seitenflächen.
In der Grube 78 gehen die Gasstrahlen 76 und 76'' von auf gegenüberliegenden Seiten der Grube 78 70 und 70''' angeordneten
Düseneinheiten
in einer kombinierten Gasströmung 84 auf,
die Grobmaterial die Grube 78 entlang effizient befördert. Gleichzeitig
schützen
z. B. der Strahl 76'' und das Material
in der Grube 78 die Düseneinheit 70''' vor
Erosion, die sonst durch den Hochgeschwindigkeitsgasstrahl 76 aus
der Düseneinheit 70 verursacht
werden würde.
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Nahe
der Stirnfläche 80' der Düseneinheit 70 befindet
sich ein vertikaler Einlass 86 zur Leitung von Gas aus
einem unterhalb der Rostkonstruktion 40 angeordneten Windkasten
zur Düseneinheit 70.
Der vertikale Einlass 86 ist über einen horizontalen Mittelkanal 88 mit
den Gasauslässen 72 verbunden.
Der vertikale Einlass 86 und der Mittelkanal 88 sind
auch in 3b dargestellt, die eine teilweise
geschnittene Seitenansicht der Düse 70 ist. 3b zeigt,
dass die Gasauslässe 72 bevorzugt
einen flachen vertikalen Querschnitt haben, d. h. ihre individuelle
Breite viel größer als
ihre individuelle Höhe
ist.
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3b zeigt
auch, dass der Mittelkanal 88 in Gasströmungsrichtung schmäler wird,
um eine konstante Strömungsgeschwindigkeit
aufrechtzuerhalten und das Gas möglichst
gleichmäßig auf
die gesamten breiten Auslassöffnungen 72 zu
verteilen. Gleichmäßige Gasverteilung
am Auslass 72 ist sehr wichtig um zu vermeiden, dass das
ideale Gasströmungsbild
an den Gasauslässen 72 und
in der benachbarten Grube 78 zu zerstört wird. Ungleichmäßige Gasströmung könnte auch
Rückströmungen und gesteigerte
Erosion als Folge von Material verursachen, das sich innerhalb der
Düse ansammelt.
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3b zeigt
auch als Seitenansicht, wie die Düseneinheit 70 über ihre
Stirnflächen 80, 80' mit den benachbarten
Düseneinheiten 70', 70'' verbunden ist. Die Oberseiten 90 der
miteinander verbundenen Düseneinheiten 70, 70' und 70'' bilden eine glatte Oberseite ohne
Vorsprünge
oder Vertiefungen, an denen sich grobe Partikel auf dem Boden der
Reaktionskammer festsetzen könnten.
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Die 3c und 3d zeigen
vertikale Querschnitte entlang Linie A-A, beziehungsweise B-B von 3b.
Diese Querschnitte stellen eine bevorzugte, aber dennoch beispielhafte
Form der Düseneinheit 70 dar.
In einzelnen Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung kann sich der vertikale Querschnitt der Düseneinheit 70 in
vielen Hinsichten von dem in 3c und 3d dargestellten
unterscheiden. 3c zufolge sind die Böden von
Mittelkanal 88 und Gasauslässen 72, 72' flach. Bei
einigen Feststofftypen in der Wirbelschicht kann es vorteilhaft sein,
dass die Gasauslässe 72, 72' in Gasströmungsrichtung
ein wenig nach unten geneigt sind. Der Neigungswinkel, der von ungefähr 10° bis ungefähr 20° sein kann,
würde das
Risiko von Rückströmung des Materials
in der Düseneinheit 70 weiter
minimieren. 3c und 3d zeigen,
dass die Seitenflächen 74, 74' der Düseneinheit 70 vertikal
sind. Bei einigen Bettmaterialien kann es vorteilhaft sein, die
oberen Teile der Seitenflächen
etwas, z. B. um ungefähr
10° nach
außen
zu neigen, um Rückströmung innerhalb der
Düse 70 weiter
zu verhindern. 3c und 3d zeigen
eine flache Oberseite 90. Bei einigen Anwendungen kann
es vorteilhaft sein, eine andersartige Oberseite 90 zu
haben. Sie kann z. B. keilförmig
sein, oder ihre Außenkanten 92 können abgerundet
sein.
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3d stellt
einen vertikalen Querschnitt des Einlassteils der Düseneinheit 70 und
einen vertikalen Kanal 94 dar, der in der vertikalen Öffnung 86 der
Düseneinheit 70 angeordnet
ist. Fluidisierungsgas wird aus einem Windkasten unterhalb der Rostkonstruktion
durch den Kanal 94 zur Düseneinheit 70 geleitet.
Eine Platte 96 mit einer Öffnung 98 ist in der Oberkante
des Kanals 94 angeordnet. Die Platte 96 bildet
eine Einengung, die dazu benutzt wird, den Druckabfall der Düseneinheit
auf ein geeignetes Niveau einzustellen. Wenn die Rostkonstruktion
zu einem Ablaufkanal hin geneigt ist, sind die Düseneinheiten auf unterschiedlichen
vertikalen Niveaus und auf unterschiedlichen mittleren Bettdrücken. Somit erfordern
sie verschiedene Druckabfälle,
um stabile Fluidisierung des Feststoffs in allen Teilen der Wirbelschicht
aufrechtzuerhalten. Mit Öffnungen 98 der Platten 96 ist
es leicht, die Druckabfälle
einzelner Düsen
wunschgemäß einzustellen.
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Die 4a und 4b zeigen
eine andere bevorzugte Düseneinheit 110,
die bei einer Rostkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung
eingesetzt werden kann. 4a zeigt
einen horizontalen Querschnitt und 4b eine
Seitenansicht derselben Düseneinheit 110,
die sich von der in 3a–3d dargestellten
darin unterscheidet, dass die Düseneinheit 110 zwei
vertikale Öffnungen 112, 112a umfasst,
die jeweils Fluidisierungsgas durch Gasauslässe 114, 114', beziehungsweise 114a, 114a' in die benachbarten
Gruben einspritzen. Um die Richtwirkung der Gasstrahlen aus den
Auslässen 114, 114', 114a, 114a' zu verbessern,
ist jeder der Gasauslässe
durch eine Splitteinrichtung 116 in zwei Teile geteilt.
Wenn die Gasauslässe 114 sehr breit
sind, können
sie durch zwei oder sogar durch mehr als zwei Splitteinrichtungen 116 geteilt
sein.
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Die 5a, 5b und 5c stellen
eine dritte bevorzugte Ausführungsform
einer Düseneinheit 120 dar,
die in einer Rostkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung
eingesetzt werden kann. 5a zeigt
einen Horizontalschnitt, 5b eine Seitenansicht
und 5c einen Vertikalschnitt entlang einem der Gasauslässe 122 aus 5a derselben
Düseneinheit 120.
Die Düseneinheit 120 unterscheidet
sich von den vorherigen darin, dass die Gasauslässe 122 nicht flach
sind, sondern einen kreisförmigen
Querschnitt haben. Dadurch, dass man viele kreisförmige Gasauslässe hat,
kann ein relativ gleichmäßiger kombinierter
Gasstrom in den benachbarten Gruben vorgesehen werden 5c zeigt in
Vertikalschnitt ein Beispiel für
eine Düseneinheit 120,
die eine keilförmige
Oberseite 124, geneigte Seitenflächen 126 und Gasauslasskanäle 122 hat.
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Natürlich gibt
es auch andere Alternativen, eine Düseneinheit für eine Rostkonstruktion
gemäß der vorliegenden
Erfindung zu konstruieren. Eine Möglichkeit besteht darin, einen
horizontalen Mittelkanal zu bilden, der mit einem vertikalen Einlasskanal verbunden
ist, wie in 3a dargestellt ist, welcher Mittelkanal
mit mehreren kreisförmigen
Auslasskanälen
verbunden ist, wie in 5a dargestellt ist.
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Während die
Erfindung hier beispielhaft im Zusammenhang mit dem beschrieben
wurde, was derzeit für
die bevorzugtesten Ausführungsformen gehalten
wird, sollte es einleuchten, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen
Ausführungsformen
begrenzt ist, sondern verschiedene Kombinationen oder Modifikationen
seiner Merkmale und mehrere anderen Anwendungen decken soll, die
vom Umfang der Erfindung eingeschlossen ist, wie er durch die beigefügten Patentansprüche definiert
ist.