DE60302147T2 - Fliessbettrost und verfahren zum entfernen von grosskörnigen feststoffen aus einem fliessbettreaktor - Google Patents

Fliessbettrost und verfahren zum entfernen von grosskörnigen feststoffen aus einem fliessbettreaktor Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine verbesserte Rostkonstruktion vorzusehen, bei der die oben erwähnten Nachteile minimiert worden sind.
  • Eine besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine langlebige Rostkonstruktion mit verbesserter Grobmaterialaustragung vorzusehen.
  • Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Rostkonstruktion vorzusehen, bei der das Festsetzen von Material an den Fluidisierungsluftdüsen minimiert worden ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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
  • 1 eine schematische Schnittansicht eines Wirbelschichtreaktors mit einer Rostkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 2 eine schematische Ansicht eines Teils einer Rostkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 3a eine schematische horizontale Schnittansicht von Düseneinheiten gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3b eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht einer Düseneinheit gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3c eine schematische vertikale Schnittansicht einer Düseneinheit gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3d eine andere schematische vertikale Schnittansicht einer Düseneinheit gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 4a eine schematisch horizontale Schnittansicht einer Düseneinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 4b eine schematische Seitenansicht einer Düseneinheit gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 5a eine schematische horizontal Schnittansicht einer Düseneinheit gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 5b eine schematische Seitenansicht einer Düseneinheit gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 5c eine schematische vertikale Schnittansicht einer Düseneinheit gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 3a3d 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (25)

  1. Rostkonstruktion (40) für einen Wirbelschichtreaktor, welcher Reaktor eine von im Wesentlichen vertikalen Wänden abgegrenzte Reaktionskammer (12), in der eine Wirbelschicht aus Feststoffpartikeln aufrechterhalten wird, und einen Windkasten (18) unterhalb der Reaktionskammer in einem unteren Teil des Reaktors umfasst, welche Rostkonstruktion zwischen Reaktionskammer und Windkasten angeordnet ist und besteht aus; zumindest einem Ablaufkanal (34) zur Austragung von Grobmaterial aus der Reaktionskammer; mehreren Düsensträngen (40, 82) mit kontinuierlichen Strukturen, die glatte Oberflächen zur Verteilung von Fluidisierungsgas aus dem Windkasten in die Reaktionskammer bilden, um die Wirbelschicht in der Reaktionskammer zu suspendieren; und kontinuierlichen Gruben (50, 78) zwischen den Düsensträngen, worin die Düsenstränge mehrere Gasauslässe (52, 72, 114, 122) mit einer Haupt-Gasströmungsrichtung an Seitenflächen (46, 74, 126) der Düsenstränge umfassen zur Leitung von Fluidisierungsgasstrahlen (54, 76) auf eine benachbarte Grube zu, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupt-Gasströmungsrichtung der mehreren Gasauslässe einen Winkel mit der Normale einer benachbarten Grube bildet, um Feststoff an der Grube entlang auf einen des zumindest einen Ablaufkanals zuzuleiten.
  2. Rostkonstruktion nach Patentanspruch 1, worin die Düsenstränge Gasauslässe an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen der Düsenstränge umfassen, um Fluidisierungsgasstrahlen zu zwei benachbarten Gruben zu leiten.
  3. Rostkonstruktion nach Patentanspruch 1, worin die Haupt-Gasströmungsrichtung der mehreren Gasauslässe im Wesentlichen horizontal ist, um einen im Wesentlichen horizontalen Gasstrahl zu bilden.
  4. Rostkonstruktion nach Patentanspruch 1, worin die mehreren Gasauslässe (72) eine horizontale Breite haben, die gleich zumindest viermal ihre Höhe ist, und die gesamte horizontale Breite der Gasauslässe in einer Seitenfläche eines Düsenstrangs sich über zumindest zwanzig Prozent der gesamten horizontalen Dimension der Seitenfläche des Düsenstrangs erstreckt.
  5. Rostkonstruktion nach Patentanspruch 4, worin die gesamte horizontale Breite der Gasauslässe in einer Seitenfläche eines Düsenstrangs sich über zumindest ungefähr vierzig Prozent der gesamten horizontalen Dimension der Seitenfläche des Düsenstrangs erstreckt.
  6. Rostkonstruktion nach Patentanspruch 1, worin die Düsenstränge mehrere aufeinanderfolgende Düseneinheiten (70) mit Seitenflächen (46) und Stirnflächen (44) umfassen, worin aufeinanderfolgende Düseneinheiten über ihre Stirnflächen in gegenseitigem Kontakt stehen, um einen der mehreren Düsenstränge (48) zu bilden.
  7. Rostkonstruktion nach Patentanspruch 6, worin die Düseneinheiten einen vertikalen Kanal (94) umfassen, der mit dem Windkasten und zumindest einem der mehreren Gasauslässe in Fliessverbindung steht.
  8. Rostkonstruktion nach Patentanspruch 7, worin die Düseneinheiten einen im Wesentlichen horizontalen Mittelkanal (88) umfassen, der den vertikalen Kanal und zumindest einen der mehreren Gasauslässe verbindet, welcher Mittelkanal eine in Strömungsrichtung abnehmende vertikale Querschnittsfläche hat.
  9. Rostkonstruktion nach Patentanspruch 7, worin eine Einengung (96) zur Einstellung eines Druckabfalls des Fluidisierungsgases in einem oberen Teil des vertikalen Kanals angeordnet (94) ist.
  10. Rostkonstruktion nach Patentanspruch 1, worin die mehreren Düsenstränge (48, 82) aus Brennerstein gebildet sind.
  11. Verfahren fürs Entfernen von Grobmaterial aus einem Wirbelschichtreaktor, welches Verfahren folgende Schritte umfasst: Aufrechterhalten einer Wirbelschicht aus Feststoffpartikeln in einer Reaktionskammer des Wirbelschichtreaktors durch Einspritzung von Fluidisierungsgasstrahlen (54, 76) aus einem Windkasten in einem unteren Teil des Reaktors in die Reaktionskammer durch eine Rostkonstruktion, welche Rostkonstruktion mehrere Düsenstränge (48, 82) mit kontinuierlichen Strukturen einschließt, die glatte Oberflächen zur Verteilung von Fluidisierungsgas aus dem Windkasten in die Reaktionskammer bilden, um die Wirbelschicht in der Reaktionskammer zu suspendieren; und Entfernen von Grobmaterial von einem Boden der Reaktionskammer, welcher Entfernungsschritt die Beförderung von Grobmaterial an mehreren, in der Rostkonstruktion zwischen den mehreren Düsensträngen angeordneten Gruben (50, 78) entlang durch kombinierte aus den Gasstrahlen gebildete Gasströme (56) umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, das des Weiteren die Einspritzung von Gasstrahlen im Wesentlichen horizontal umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, das des Weiteren die Einspritzung von Gasstrahlen im Wesentlichen in einem Winkel von ungefähr zwanzig Grad bis ungefähr siebzig Grad gegenüber einer Normale einer benachbarten Grube umfasst, um Feststoff an der Grube entlang zu einem Ablaufkanal hinzuleiten.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, das des Weiteren die Einspritzung von Gasstrahlen als Strahlen umfasst, deren jeder eine Breite hat, die zumindest gleich viermal ihre jeweilige Höhe ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 11, worin die Düsenstränge mehrere Gasauslässe mit einer Haupt-Gasströmungsrichtung an den Seitenflächen der Düsenstränge umfassen, um Fluidisierungsgasstrahlen auf eine benachbarte Grube zuzuleiten.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wo die Düsenstränge Gasauslässe an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen der Düsenstränge umfassen, und weiters das Leiten von Fluidisierungsgasstrahlen in zwei benachbarte Gruben umfassen.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, worin die Haupt-Gasströmungsrichtung der mehreren Gasauslässe im Wesentlichen horizontal ist, um einen im Wesentlichen horizontalen Gasstrahl zu bilden.
  18. Verfahren nach Anspruch 15, worin zumindest ein Ablaufkanal für den Abzug von Grobmaterial aus der Reaktionskammer vorgesehen ist, worin die Haupt-Gasströmungsrichtung der mehreren Gasauslässe einen Winkel mit der Normale einer benachbarten Grube bildet, um Feststoff an der Grube entlang einem des zumindest einen Ablaufkanals zuzuleiten.
  19. Verfahren nach Anspruch 15, worin die mehreren Gasauslässe eine horizontale Breite von zumindest viermal ihre Höhe haben, und die gesamte horizontale Breite der Gasauslässe in einer Seitenfläche eines Düsenstrangs sich über zumindest ungefähr zwanzig Prozent der gesamten horizontalen Dimension der Seitenfläche des Düsenstrangs erstreckt.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, worin die gesamte horizontale Breite der Gasauslässe in einer Seitenfläche eines Düsenstrangs sich über zumindest ungefähr vierzig Prozent der gesamten horizontalen Dimension der Seitenfläche des Düsenstrangs erstreckt.
  21. Verfahren nach Anspruch 15, worin die Düsenstränge mehrere aufeinanderfolgende Düseneinheiten mit Seitenflächen und Stirnflächen umfassen, worin aufeinanderfolgende Düseneinheiten über ihre Stirnflächen in gegenseitigem Kontakt stehen, um einen der mehreren Düsenstränge zu bilden.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, worin die Düseneinheiten einen vertikalen Kanal umfassen, der mit dem Windkasten und zumindest einem der mehreren Gasauslässe in Fliessverbindung steht.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, worin die Düseneinheiten einen im Wesentlichen horizontalen Mittelkanal umfassen, der den vertikalen Kanal und zumindest einen der mehreren Gasauslässe verbindet, welcher Mittelkanal eine sich in Strömungsrichtung verringernde vertikale Querschnittsfläche hat.
  24. Verfahren nach Anspruch 22, das des Weiteren die Anordnung einer Einengung zur Einstellung eines Druckabfalls des Fluidisierungsgases in einem oberen Teil des vertikalen Kanals umfasst.
  25. Verfahren nach Anspruch 11, worin die mehreren Düsenstränge aus Brennerstein gebildet sind.
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