DE68906386T2

DE68906386T2 - Verteilplatte für wirbelbettreaktor.

Info

Publication number: DE68906386T2
Application number: DE89906123T
Authority: DE
Inventors: Folke Engstroem; Reijo Kuivalainen
Original assignee: Ahlstrom Corp
Current assignee: Amec Foster Wheeler Energia Oy
Priority date: 1988-05-26
Filing date: 1989-05-24
Publication date: 1993-11-11
Anticipated expiration: 2009-05-25
Also published as: KR900701386A; EP0417153B1; JPH03501580A; WO1989011333A1; AU3682389A; US4841884A; EP0417153A1; DE68906386D1; KR920006864B1; JPH0642944B2

Description

Viele Wirbelschichtreaktoren enthalten eine Feinpartikelmasse. Im unteren Teil des Reaktors ist eine Verteilerplatte mit einer Vielzahl Einspritzdüsen vorgesehen, durch die Fluidisierungsgas aus einem Windkasten in den Reaktor verteilt wird. Das durch die Düsen eingeleitete Gas (wie etwa Luft) fluidisiert die Masse der feinen Partikeln. Solche Wirbelschichtreaktoren werden typischerweise bei verschiedenen Prozessen, wie bei Verbrennungs-, Vergasungs-, und Wärmetauschprozessen eingesetzt. Je nach den einzelnen Prozessen werden Sand, Kalk, Kohle, Asche oder von der feuerfesten Ausmauerung gebrochene Stückchen fluidisiert. Dies ergibt eine rauhe Umgebung für die Einspritzdüsen, die Korrosion und Erosion ausgesetzt werden.
In konventionellen Wirbelschichtreaktoren, insbesondere bei niedrigen Belastungsverhältnissen sind die Partikeln geneigt, sich in der Nähe der Einspritzdüsen anzusammeln und der Luftverteilung durch die Düsen entgegenzuwirken. Feine Partikeln in der Partikelmasse stören die Lufteingabe durch die Düsen und können Verstopfung von Luftöffnungen hervorrufen. Ferner tendieren die Partikeln zum Rückfluß durch die Düsen in den Windkasten (in die Luftkammer). Dies geschieht, wenn die Luftzufuhr durch die Einspritzdüsen gestoppt wird, und bewirkt eine Umkehr der Druckdifferenz zwischen der Reaktionskammer und dem Windkasten unter der Verteilerplatte. Der Druck über der Verteilerplatte steigt über den Druck im Windkasten unterhalb der Verteilerplatte, und folglich sind die feinen Partikeln der Partikelmasse geneigt, durch die Düsen rückwärts in den Windkasten zu fließen.
Die Rückflußneigungen rufen Probleme auch im Beharrungszustand hervor. Der Druck im Wirbelschichtreaktor pulsiert immer und kann augenblicklich und örtlich so weit absinken, dar Rückfluß entsteht. Bei niedrigen Belastungsverhältnissen nimmt dann die Tendenz zu, wenn die Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Verteilerplatte kleiner wird.
Der Rückfluß von Partikeln durch die Düse stellt besonders bei zirkulierenden Wirbelschichten ein Problem dar, wenn das Bett aus bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten fluidisierten Partikeln besteht, die aus dem Reaktor mitgeführt sind und nach der Gasabscheidung rückgeführt werden.
Es werden Probleme nicht nur durch den Rückfluß im Windkasten verursacht; die feinen zurück in die Düsen fließenden Partikeln bewegen sich oft als Ergebnis der Pulsationen im Reaktor hin und her in den Düsen. Dieses Hinundherfließen der Partikeln in der Düse durch die Öffnungen der Düsen hat eine vorzeitige Abnutzung der Düsen zur Folge.
Das Rückflußproblem kann dadurch vermieden werden, daß die Druckdifferenz hoch genug gehalten wird, indem der Fluidisierungsgasdurchsatz nach der Gleichung dp/dx = k V2/2 angehoben wird, was darauf hinweist, daß die Druckdifferenz (dp) vom Gasdurchsatz V und von der Gasdichte abhängig ist, wobei der Wert k gleich Düsenkonstante ist. Wegen der hohen Stromkosten ist es jedoch nicht möglich, den Rückfluß durch Erhöhung der Druckdifferenz zu eliminieren.
Im US-Patent Nr. 4,565,136 werden aus hochwarm- und verschleißfestem porösem feuerfestem Werkstoff hergestellte Düsen dargestellt. Jede Düse ist fest in eine zylindrische undurchlässige Schutzhülse installiert. Der oberste Teil der Düsen ist unbeschützt. Die Düsen haben rundherum gleichmäßig verteilte feine Poren. Das Gefüge der porösen Düsen ist von solcher Feinheit, daß es das Hineindringen von Körnchen in die feinen Poren oder in den Windkasten verhindert.
Wenn der Fluidisierungsgasstrom durch die Düsen z.B. während eines Stillstands angehalten wird, bilden die Bettpartikeln eine kompakte Partikelmasse auf den Düsen. Kleine Bettpartikeln dringen in die Poren hinein, zumindest im obersten Teil der Düsen, und verstopfen die Düsen. Beim Einschalten bleiben die Düsen verstopft und die Gasströmung durch die Düsen in den Reaktor ist verhindert.
Obwohl das Problem der rückfließenden Partikeln bei Wirbelschichten wohlbekannt ist und viele Lösungen vorgeschlagen worden sind, sind die Lösungen nicht vollkommen erfolgreich gewesen. Man glaubt, daß eine optimale Konstruktion, die für ausreichende Druckdifferenz zur gleichmäßigen Fuidisierung des Betts sorgt, doch noch einen Betrieb bei niedriger Belastung zuläßt, noch nicht vorgesehen worden ist.
Der vorliegenden Erfindung zufolge sind Einspritzdüsen für einen Wirbelschichtreaktor vorgesehen, die die obengenannten Probleme überwinden und somit eine im wesentlichen gleichmäßige Fluidisierung des Betts zulassen, aber dennoch einen Betrieb unter niedrigen Belastungsverhältnissen ohne Rückfluß gestatten. Die Düsen gemäß der vorliegenden Erfindung sind für normalwerweise in Wirbelschichten herrschende korrosive und erosive Verhältnisse besser geeignet und mechanischen Schocks gegenüber weniger empflindlich.
Gemäß dem breitesten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Wirbelschichtreaktor mit einer Masse feiner Partikeln vorgesehen, der an seinem unteren Ende eine Verteilerplatte mit einer Vielzahl Einspritzdüsen aufweist, durch die Fluidisierungsgas aus einem Windkasten in den Reaktor eingeleitet wird. Mindestens einige der Einspritzdüsen umfassen einen oberen Teil, ein Organ mit mindestens einer Öffnung, und ein gasdurchlässiges massives Organ. Der obere Teil besteht aus hochwarmfestem und verschleißfestem Werkstoff zur Aufnahme der Partikelmasse. Das Organ mit mindestens einer Öffnung in jeder Düse läßt Fluidisierungsgas durch die Öffnung(en) zwischen dem oberen Teil der Düse und dem Windkasten fließen. Das massive Organ grenzt sich im wesentlichen an das Organ mit den Öffnungen, die Gas durchlassen aber den Durchfluß von feinen Partikeln verhindern. Das massive Organ besteht vorzugsweise aus gesintertem Metall. Wahlweise kann das massive Organ einen säurefesten Metalldrahtfilter, ein poröses keramisches Material oder einen keramischen Hochtemperatur-Filter aufweisen. Es können z.B. ein Paar konzentrische dicht anneinandergestellte poröse keramische Rohre mit unterschiedlichen effektiven Gasdurchlässigkeiten vorgesehen sein.
Ein Standrohr mit massiven Wänden kann sich aufwärts vom Windkasten erstrecken, wobei die Öffnungen oberhalb des Standrohrs und abwärts auswärts gerichtet sind. Das Standrohr kann innerhalb des oberen Teils angeordnet sein, wobei das massive Organ vom Standrohr aufgenommen wird und sich an den oberen Teil grenzt. Das Standrohr kann einen horizontalen massiven Metallring mit den Öffnungen abstützen, wobei das massive Organ zwischen dem oberen Teil und dem Ring gelagert ist. Das massive Organ kann ein rohrförmiges Element mit einer hauptsächlich vertikalen Achse aufweisen, und das massive Organ kann Poren mit einer Porengröße von rund 50 bis 1000 Mikrometer aufweisen. Wenn das massive Organ aus gesintertem Metall hergestellt ist, hat es vorzugsweise die Form eines Rohrs, das zwischen dem Standrohr und dem oberen Teil angeordnet ist und sich an sie grenzt.
Es ist eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für gleichmäßige Verteilung des Fluidisierungsgases zu sorgen und den Rückfluß von Feststoffen in die Gaseinspritzdüsen in einem Wirbelschichtreaktor zu verhindern. Diese und andere Aufgaben der Erfindung gehen aus der detaillierten Beschreibung der Erfindung und den beigefügten Patentansprüchen hervor.
Fig. 1 ist eine schematische geschnittene Seitenansicht einer Gaseinspritzdüse gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung, die in einem Wirbelschichtreaktor dargestellt wird;
Fig. 2 ist eine schematische geschnittene Seitenansicht einer zweiten Gaseinspritzdüse gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung;
Fig. 3 ist ein Schnitt durch das Gasöffnungen bildende Organ aus Fig. 1 und 2, und stellt ihre Abwärts- und Auswärtsneigung dar;
Fig. 4 ist eine schematische geschnittene Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der Einspritzdüse gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 5 ist eine schematische geschnittene Seitenansicht einer vierten Ausführungsform der Einspritzdüse gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt in einer Wirbelschicht von Partikeln 10 eine exemplarische Gaseinspritzdüse 11 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Düse 11 ist an einem Rost oder Verteilerplatte 12 mit einem Standrohr 13 angeordnet, das in eine in der Platte 12 gebildete Öffnung 14 eingepaßt ist. Das Standrohr ist vorzugsweise ein Rohr mit massiven Wänden, und kann z.B. aus rostfreiem Stahl, wie etwa AISI (American Iron und Steel Institute Standard) 304 hergestellt sein. Druckbeaufschlagtes Gas befindet sich im Raum unter der Platte 12, der als Windkasten oder Luftkammer 18 bekannt ist. Die Düse 11, Verteilerplatte und d.gl. sind in einem typischen Wirbelschichtreaktor 20 angeordnet, der entweder des zirkulierenden oder nicht zirkulienden Typs sein kann.
Bei der Ausführungsform von Fig. 1 besteht ein oberer Teil 17 der Düse 11 aus einem hochwarm- und verschleißfesten Material, das mit der Partikelmasse 10 in Kontakt gebracht wird. Es kann z.B. aus einem warmfesten Stahl, wie etwa AISI 309 hergestellt sein. Die Düse 11 umfaßt auch ein Organ mit mindestens einer Öffnung 19 und vorzugsweise einer Vielzahl Öffnungen, durch welche Öffnungen Fluidisierungsgas zwischen dem oberen Teil 17 und der Verteilerplatte 12 des Windkastens 18 fließt. Bei dieser namentlichen Ausführungsform sind die Öffnungen 19 in einem abwärts erstreckenden Abschnitt 15 des oberen Teils 17 ausgebildet. Die Düse 11 umfaßt desweiteren ein massives, sich hauptsächlich an das Organ 15 mit den Öffnungen 19 angrenzendes Organ 16, wobei das massive Organ 16 den Gasstrom durchläßt, aber den Durchfluß von Partikeln 10 dadurch aus dem Reaktor 20 in den Windkasten 18 verhindert. Die Öffnungen 19 können Kanäle, Schlitze, runde Löcher, o.dgl. sein. Bei Kohlefeuerungen werden runde Öffnungen mit einem Durchmesser von 1 bis 15 mm eingesetzt. Bei der Ausführungsform von Fig. 1 bildet das Organ 15 mit den Öffnungen einen äußeren Teil, während das massive 16 einen inneren Teil bildet.
Bei der Ausführungsform von Fig. 1 besteht der innere Teil 16 aus porösem festem Material wie Keramik, dessen Poren viel kleiner sind als die Öffnungen 19. Der Abschnitt 15 schützt das innere poröse Material 16, womit ein relativ billiges Material als poröses Material eingesetzt werden kann, weil es dem Partikelstrom und seinem korrosiven Einfluß nicht ausgesetzt ist. Beim porösen keramischen Material 16 kann es sich z.B. um einen keramischen Hochtemperatur-Filter handeln, die z.B. unter dem Warenzeichen "Cerapor" oder dem Warenzeichen "Reticel" (Hi-Tech Ceramics Inc., Alfred, N.Y. 14802, USA) verkauft werden.
Es soll beachtet werden, daß der obere Teil 17 bei der Ausführungsform von Fig. 1 eine hauptsächlich geneigte, dachförmige Konstruktion aufweist.
Bei der Ausführungsform von Fig. 2 werden funktionsmäßig mit den in Fig. 1 Dargestellten vergleichbare Konstruktionen durch dieselben Referenznummern, jedoch mit einer Eins davor, angedeutet. Bei dieser Ausführungsform sind die meisten Elemente die gleichen wie in Fig. 1, mit der Ausnahme, daß der innere Teil anstelle eines porösen keramischen Materials 16 mit einem Metallfilter 21 versehen ist. Der Metallfilter 21 ist ein konventioneller Filter aus einer Metallegierung, und besteht z.B. aus 0,22-mm-Draht, das Maschen von rund 0,50 mm bildet. Besonders leicht können existierende Düsen gemäß dieser Ausführungsform nachgerüstet werden, um z.B. Leckagen von bestehenden Düsen zu reparieren. Sie kann selbstverständlich auch bei neuen Konstruktionen angewendet werden.
Für die in Fig. 1 und 2 dargestellten Düsen 11 und 111 wie auch für andere erfindungsgemäße Düsen gilt, weil das feine Bettmaterial mit dem massiven Organ nicht in Kontakt ist, daß es nicht in die Poren (bei keramischem Material) oder in die Rostöffnungen (bei einem Metallfilter) hineindringt, auch wenn jemand während der Reparatur oder Inspektion des Reaktors auf dem Bett geht und hohe örtliche Drücke erzeugt.
Fig. 3 stellt die bevorzugte Ausführung der Öffnungen 19, 119 im Teil 15, 115 der Düsen 11, 111 dar. Vorzugsweise bilden die Öffnungen 19, 119 einen Winkeln 22 zwischen 5 und 30 Grad, indem sie abwärts und auswärts geneigt sind. Dies ermöglicht die beste Verteilung von Gas durch die Düsen 11, 111, während die Rückflußmöglichkeiten der Partikeln minimiert werden.
Bei der Ausführungsform von Fig. 4 werden zur Fig. 1 vergleichbare Konstruktionen mit einer Referenznummer angedeutet, vor die eine Zwei gesetzt ist. Bei dieser Ausführungsform wird kein Standrohr, sondern ein Paar konzentrische Rohre 215, 216 eingesetzt, die die Öffnung 214 umgebend sich von der Verteilerplatte 212 bis in den oberen Teil 217 der Düse 211 erstrecken. In diesem Fall ist der obere Teil eine Platte 217. Vorzugsweise bestehen die beiden rohrförmigen Abschnitte 215, 216 aus porösem keramischen Rohren, wobei das äußere Rohr 215 relativ große Poren und das innere Rohr relativ kleine Poren aufweist, so daß es sich beim Außenohr 215 um ein Organ zur Einspritzung von Gas und beim Innenrohr 216 um ein massives Organ zur Verhinderung von Partikelstrom dadurch handelt. Während die beiden Rohre 215, 216 aus demselben Werkstoff hergestellt sein können, kann es wünschenswert sein, das Außenrohr aus einem verschleiß- und warmfesten Material herzustellen oder die beiden Rohre aus dem gleichen Material auszuführen und die Außenseite von Außenrohr 215 so zu behandeln, daß ein wiederstandsfähigerer Überzug erreicht wird.
Bei der Ausführungsform von Fig. 5 werden zur Fig. 1 vergleichbare Konstruktionen mit derselben Referenznummer, jedoch mit einer Drei davor, angedeutet. Bei dieser Ausführungsform besteht das Organ 315 mit den Öffnungen 319 aus einem horizontalen massiven Metallring. Das Standrohr 313 stützt den Ring oberhalb der Verteilerplatte 312 des Windkastens 318 ab, und das massive Organ 316 ist zwischen dem oberen Teil 317 und dem Ring 315 eingeklemmt. Das massive Organ 316 besteht vorzugsweise aus porösem keramischem Material, das Gas durchläßt aber den Rückfluß von Partikeln verhindert und vor der korrosiven Umgebung des Reaktors durch den oberen Teil 317 und den Ring 315 geschützt ist.
Bei sämtlichen massiven Organen 16, 216, 316 sorgen die Poren für den Gasfluß, und es ist eine Porengröße von 50 bis 1000 Mikrometer wünschenswert. Bei allen Ausführungsformen von Fig. 1 bis 4, wo Innen- und Außenteile vorgesehen sind, sieht man, daß die Innenteile im wesentlichen mit dem Außenteil derart in Kontakt stehen, daß zwischen den Außen- und Innenteilen wenig oder gar kein freier Raum zur Ansammlung von Feststoff verbleibt, was ein bedeutendes Ergebnis ist.
Hieraus sieht man, daß gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Wirbelschichtreaktor Düsen vorgesehen sind, die in der Lage sind, den in Wirbelschichtreaktoren typischerweise auftretenden korrosiven Verhältnissen und mechanischen Kräften standzuhalten, das Fluidisierungsgas gleichmäßig zu verteilen, den Rückfluß von Partikeln aus dem Reaktor in den Windkasten zu unterbinden und diese wünschenswerten Ergebnisse über lange Zeiten mit wenig Wartung zu erreichen.

Claims

1. Wirbelschichtreaktor bestehend aus einer Masse feiner Partikeln, und einer Verteilerplatte mit einer Vielzahl Einspritzdüsen (11, 111, 211, 311) in seinem unteren Teil, durch die Fluidisierungsgas aus einem Windkasten (18) in den Reaktor verteilt wird, bei welchen Einspritzdüsen;

- der oberste Teil (17, 117, 217, 317) der Düsen aus hochwarmfestem und verschleißfestem undurchlässigen Material zur Aufnahme der Masse von feinen Partikeln besteht;

- der äußere Teil (15, 115, 215, 315) der Düsen unter dem obersten Düsenteil äußere Öffnungen (19, 119, 319) oder große Poren hat, durch die Fluidisierungsgas aus dem Windkasten in den Reaktor geleitet wird; und

- der innere Teil (16, 21, 216, 316) der Düsen innere Öffnungen oder kleine Poren aufweist, durch die Fluidisierungsgas aus dem Windkasten in die äußeren Öffnungen fließt, welche inneren Öffnungen oder kleinen Poren kleiner sind als die äußeren Öffnungen (19, 119, 219, 319) oder großen Poren im Außenteil der Düsen und der Innenteil (16, 21, 216, 316) der Düsen sich an den Außenteil (15, 115, 215, 315) derart angrenzt, so daß nur ein wenig oder gar kein Freiraum zwischen dem Innenteil und dem Außenteil der Düsen zur Anhäufung von Partikeln gebildet wird, so daß eine Verteilung des Fluidisierungsgases stattfindet, ein Rückfluß von Partikeln durch die Düsen in den Windkasten aber ausbleibt.

2. Reaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenteil (16, 21, 216, 316) aus gesintertem Metall besteht.

3. Reaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenteil (16, 21, 216, 316) aus einem Filter aus legiertem Metalldraht besteht.

4. Reaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenteil (16, 21, 216, 316) aus porösem keramischem Material besteht.

5. Reaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenteil (16, 21, 216, 316) aus einem keramischen Hochtemperatur-Filter besteht.

6. Reaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil der Düsen aus einem undurchlässigen obersten Teil (17, 117, 217, 317) und einem sich nach unten erstreckenden, den äußeren Teil (15, 115, 215, 315) bildenden Abschnitt besteht, der Öffnungen (19, 119, 319) oder große Poren aufweist.

7. Reaktor gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Teil (15, 115, 215, 315) mit Öffnungen (19, 119, 319) ein Organ umfaßt, das eine Vielzahl abwärts, auswärts geneigte Öffnungen aufweist.

8. Reaktor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner ein Standrohr (13, 113) mit massiven Wänden umfaßt, das sich vom Windkasten aufwärts erstreckt.

9. Reaktor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Standrohr (13, 113) innerhalb des Außenteils (15, 115) angeordnet ist, und der Innenteil (16, 21) vom Standrohr abgestützt wird und sich an den Außenteil grenzt.

10. Reaktor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der oberste Teil (17, 117) einen im allgemeinen geneigten dachartigen oberen Abschnitt aufweist.

11. Reaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenteil (216) und Außenteil (215) ein Paar konzentrische dicht aneinanderliegende poröse keramische Rohre mit unterschiedlichen effektiven Gasdurchlässigkeiten aufweisen.

12. Reaktor gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der oberste Teil (217, 317) eine flache massive Metallplatte ist.

13. Reaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenteil (315) einen horizontalen massiven Metallring mit Öffnungen (319) und ein Organ (313) zur Abstützung des Rings oberhalb des Windkastens aufweist, so daß Gas durch die Öffnungen (319) fließen kann, wobei der Innenteil (316) zwischen dem obersten Teil (317) und dem Ring eingeklemmt ist.

14. Reaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenteil (16, 21, 216, 316) aus einem rohrförmigen Element mit einer hauptsächlich vertikalen Achse besteht.

15. Reaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenteil Poren mit einer Porengröße von rund 50 bis 1000 Mikrometer aufweist.