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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Wirbelschichtvorrichtung zur Heformierung eines Kohlenwasserstoffgases.
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Wie an sich bekannt, liefert ein Wirbelschichtkessel den
Brennstoff kontinuierlich zu einer Wirbelschichtkammer und
Luft durch eine Verteilerplatte in die
Wirbelschichtkammer, um den Brennstoff zu verbrennen, das fluidisierbare
Medium zu fluidisieren und einen Wärmeaustausch in
Heizrohren auszuführen, die innerhalb der Wirbelschichtkammer
angeordnet sind. Bei diesem Wirbelschichtkessel sind eine
lnstallationshöhe der Heizrohre und eine Menge des
eingegebenen Wirbelschichtmediums so eingestellt, dar die
Heizrohre in dem Wirbelschichtbett eingetaucht sind. In einem
solchen Kessel sind die Heizrohre in die Wirbelschicht
eingetaucht, und der Kessel wird in einem Bereich
betrieben, in dem sich der Gesamtwärmeübergangskoeffizient
selbst dann nicht erniedrigt, wenn die Luftströmungsrate
gesenkt wird, die ein Merkmal des Wärmeüberganges des
Wirbelschichtbettes ist. Selbst wenn daher die Mengen an
zugeführtem Brennstoff und zugeführter Luft reduziert werden
und die Verbrennungswärme des Brennstoffes abgesenkt wird,
falls sich die Kesselbelastung erniedrigt, werden der
Wärmeübergangskoeffizient und ein
Wärmeübergangsflächenbereich im wesentlichen nicht verringert. Daher kann die
Temperatur der Wirbelschicht rasch abnehmen, und die
Wirbelschicht kann nicht mehr betriebsfähig sein.
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Wenn im Gegensatz hierzu die Menge des zugeführten
Brennstoffes und der zugeführten Luft bei ansteigender
Kesselbelastung vergrößert wird, kann die Temperatur der
Wirbelschicht rasch ansteigen, und hierdurch eine Störung
verursachen, beispielsweise eine Verschlackung des
Wirbelschichtmediums.
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Um dies zu bewältigen, offenbart die US-A-4,279,207, daß
bei steigender Kesselbelastung die Menge des fluidisierten
Mediums anwächst, und der Kontaktbereich zwischen dem
Wirbelschichtbett und den Heizrohren ansteigt, um hierdurch
die Wärmemenge zu erhöhen, die von der Wirbelschicht auf
die Heizrohre übertragen wird. Sie offenbart auch das
Ausströmen des Wirbelschichtmediums, wenn die Belastung
abnimmt (insbesondere Spalte 10, Zeilen 54 bis 62 und Spalte
11, Zeilen 7 bis 14).
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US-A-4,499-857 zeigt insbesondere in Spalte 4, Zeilen 53
bis 60 und in Spalte 6, Zeilen 17 bis 19, dar die Höhe des
Wirbelschichtmediums in Abhängigkeit von der Temperatur
der Wirbelschicht gesteuert wird.
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Mining Engineering, Seite 244, rechte Spalte, Zeilen 12
bis 19 und Figur 7, veröffentlicht in USA, April 1986,
zeigt, wie die Höhe der Wirbelschicht und die Zahl der in
die Wirbelschicht eingetauchten Heizrohre in Abhängigkeit
von der Belastung geändert werden.
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Ein weiterer Typ eines verbesserten Wirbelschichtkessels
ist ferner in US-A-4,768,468 offenbart.
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Beispielsweise schliept in dem Wirbelschichtreformierofen,
der als eine Wirbelschichtverbrennungsvorrichtung
ausgerüstet ist, die Durchführung eines Reformierverfahrens die
Schritte der Verbrennung des Heizgasöles in der
Wirbelschicht ein, um die Menge der darin entwickelten Wärme zu
Katalysatorrohren zu überführen und den Wasserdampf dem
Kohlenwasserstoffgas in den Katalysatorrohren zuzufügen.
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Wenn das Kohlenwasserstoffgas Methan ist, kann die
Wasserdampf-Reformierreaktion folgendermaßen ausgedrückt werden:
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CH&sub4; + H&sub2;O -T CO - 3H&sub2;
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Wenn eine Höhe des Wirbelschichtbettes des
Wirbelschichtreformierofens so klein wie 400 bis 500 mm ist und wenn
eine Temperatur der Wirbelschicht bei beispielsweise 800ºC
oder etwa bei diesem Wert eingestellt ist, der für die
Durchführung des Reformierverfahrens geeignet ist, wird
das Brennstof fgas in der Nähe einer Wirbelschichtfläche
(obere Fläche) heftig verbrannt, während der Gasbrennstoff
in einem oberen Raum teilweise verbrannt wird.
Infolgedessen steigt die Temperatur eines verbrannten Abgases bis zu
beispielsweise 900ºC an. Eine Wärmemenge, die 100ºC als
Unterschiedswert zwischen 900ºC und der Temperatur,
beispielsweise 800ºC, der Wirbelschicht entspricht, wird für
die Reformierungsaktion nicht ausgenutzt sondern aus dem
Reformierofen nach außen abgegeben, was zu einem
Wärmeverlust führt.
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Der Wirbelschichtkessel präsentiert ebenfalls das gleiche
Phänomen wie oben. Nämlich selbst in einem Falle, in dem
der in der Wirbelschicht zu verbrennende Brennstoff Kohle,
ebenso wie ein Gas ist, tendiert das feine Pulver
desselben, in der Nähe der Wirbelschichtfläche oder in dem
oberen Raum verbrannt zu werden.
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Andererseits bringt diese Art der Verbrennung in der
Wirbelschicht ein solches Phänomen mit sich, dar ein Teil des
Wirbelschichtmediums zusammen mit dem verbrannten Abgas
aus dem Ofen herausgestreut wird. Eine Höhe einer freien
Wandeinheit muß zur Verhinderung dieses Phänomens
ausreichend grob gemacht werden. Diese Anordnung veranlaßt
hingegen wiederum ein Ansteigen der Vorrichtungsgröße.
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Es wird hier eine an sich bekannte Technik erläutert (z.B.
Saving of Energy, Seite 39 bis 45, Band 35, Nr 13, 1983,
veröffentlicht von The Energy Saving Centre Foundation),
bei der ein aufgeschäumtes keramisches Material (poröses
Keramikmaterial), das an einem Gasauslaß vorgesehen ist,
der in dem mit einem Gasbrenner ausgerüsteten Heizofen
ausgebildet ist, dazu dient, die von dem Abgas abgegebene
Wärme zu absorbieren, und die von der Ofenoberfläche, die
eine hohe Temperatur hat, abgestrahlte Hitze wird dazu
benutzt, die aufzuheizende Substanz aufzuheizen.
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Es ist jedoch eine unbekannte Art und Weise, wie das
voranstehend erwähnte poröse Keramikmaterial an der
Wirbelschichtverbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung
angebracht wird, wobei die Vorrichtung solche Kenndaten
zeigt, dar das Wirbelschichtmedium befähigt ist, zusammen
mit dem verbrannten Gas auf die Außenseite des Ofens
gestreut zu werden, oder der Brennstoff, beispielsweise Gas,
Kohle und dergleichen, teilweise auperhalb des Ofens
verbrannt wird.
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Es entsteht jedoch ein Problem, welches der
Wirbelschichtverbrennungsvorrichtung zur Verbrennung des Brennstoffes
durch Fluidisierung des fluidisierbaren Mediums inhärent
ist, wobei ein Teil des Mediums in den oberen Raum
austritt und an den Löchern des porösen Keramikmaterials
haftet, wodurch eine Beladung verursacht wird, die ihrerseits
ein Hindernis für das Ausströmen des verbrannten Gases
erzeugt.
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Basierend auf dem Stand der Technik, schließt der
Reformierofen des Wirbelschichtbettes eine Mehrzahl von
Katalysatorrohren ein, die in der vertikalen Richtung angeordnet
sind. Unterteile der Rohre sind in eine Wirbelschicht
eingebettet, in die der Brennstoff und Luft zum Zwecke einer
Verbrennung eingespeist werden. Die durch diese
Verbrennung erhitzte Wirbelschicht wird in Kontakt mit den
Katalysatorrohren gebracht, wodurch die Rohre aufgeheizt
werden. Der Wasserdampf wird dem
Kohlenstoffwasserstoffbrennstoff zugefügt, der in die Katalysatorrohre eingespeist
wird, und der Kohlenstoffwasserstoffbrennstoff unterliegt
durch Erhitzung dem Reformierungsprozeß.
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In dem Reformierofen, der mit den vertikal angeordneten
Katalysatorrohren versehen ist, wächst die Wirbelschicht
in der Höhe weit genug, um die Einbettung der gesamten
Katalysatorrohre (von den oberen bis zu den unteren Enden)
zu ermöglichen, wobei diese Rohre sich in vertikaler
Richtung erstrecken. Aus diesem Grund ist eine stationäre
Betthöhe (eine Höhe des Wirbelschichtmediums, wenn es
nicht fluidisiert ist) etwa halb so groß wie die Länge des
Katalysatorrohres. Das relativ hohe Wirbelschichtbett
veranlapt ein merkliches Ansteigen in seiner Druckdifferenz,
was zu einem groben Leistungsverlust eines Gebläses führt,
welches zum Zwecke des Einspeisens der Luft in das
Wirbelschichtbett vorgesehen ist. Daneben wird das
Wirbelschichtmedium hoch gestreut, wenn die Höhe der
Wirbelschicht zunimmt. Es ist daher erforderlich, daß die freie
Wand hoch ausgebildet wird. Damit wächst auch die Höhe des
Ofenkörpers.
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FR-A-2 531 944 offenbart einen
Brennstoff-Reformierapparat, der eine Anzahl vertikal angeordneter, mit
Katalysator
gefüllter Rohre in einem Wirbelschichtbett umfaßt,
wobei diese Rohre auf eine hohe Temperatur aufgeheizt werden
können, und zwar durch Erwärmung von außen her, um so
Brennstoff zu einem Gas zu reformieren, welches
Wasserstoff als Hauptkomponente enthält.
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Der herkömmliche Reformierofen mit Wirbelschicht, bei dem
die Katalysatorrohre in der vertikalen Richtung angeordnet
sind, hat ein für die Wirbelschicht eigentümliches
Merkmal, bei dem es möglich ist, eine innere Ofentemperatur
konstant zu halten. Zusätzliche Vorteile sind, daß eine
Temperaturverteilung der Katalysatorrohre reduziert werden
kann, um einen gleichförmigen Wärmeübergang zu vermitteln,
und dar eine Geschwindigkeit, bei welcher ein Ansprechen
auf Belastungsänderungen stattfindet, erhöht werden kann.
Auf der anderen Seite ist die Höhe der Wirbelschicht nicht
geradlinig proportional zu einer
Oberflächengeschwindigkeit. In einem Bereich, in dem beispielsweise die
Oberflächengeschwindigkeit relativ klein ist, wächst die Höhe der
Wirbelschicht beträchtlich mit größerer
Oberflächengeschwindigkeit. Demgegenüber nimmt in einem Bereich, in dem
die Oberflächengeschwindigkeit relativ groß ist, selbst
wenn die Oberflächengeschwindigkeit ansteigt, die Höhe des
Wirbelschichtbettes nicht merklich zu. Wenn daher die
Oberflächengeschwindigkeit auf die Hälfte reduziert wird,
wird ein Verhältnis, bei dem die fluidisierenden Medien
die vertikal angeordneten Katalysatorrohre berühren, nicht
auf die Hälfte herabgemindert. Wenn infolgedessen die
Oberflächengeschwindigkeit abnimmt, wächst ein Verhältnis
der Menge der aus der Wirbelschicht herausgenommenen Menge
zu der Menge der Wärme, die aus dem Brennstoff evolviert
wird, während die Temperatur des Wirbelschichtbettes
absinkt. Infolgedessen kann ein vorbestimmter
Reformierprozeß
entsprechend der Belastung des Reformierofens nicht
ausgeführt werden.
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Die vorliegenden Erfindung vermittelt eine
Wirbelschichtvorrichtung zur Reformierung eines Kohlenwasserstoffgases
mit einem Ofenkörper, an dessen oberem Abschnitt ein
Auslag für verbranntes Gas ausgebildet ist, mit einem
horizontal im Ofenkörper angeordneten Verteiler zur
Unterteilung des inneren des Ofenkörpers in eine obere
Wirbelschichtkammer und eine untere Kammer und mit
Wärmeübertragungsrohren, die mit Katalysatoren beladen sind, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rohre in der Wirbelschichtkammer
horizontal angeordnet sind.
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Entsprechend einem Aspekt der Erfindung kann eine
Wirbelschichtverbrennungsvorrichtung eine
Gasdispersions(Verteiler-)Platte umfassen, die in einem unteren Teil einer
Wirbelschichtkammer angeordnet ist sowie eine
Wirbelschicht, die durch Fluidisierung des fluidisierbaren
Mediums auf der Gasdispersions-(Verteiler-)Platte ausgebildet
ist, so dap ein Brennstoff in der Wirbelschicht verbrannt
werden kann, gekennzeichnet durch einen Filter, der in
einem Auslaß für verbranntes Gas oder einer freien
Wandeinheit der Wirbelschichtkammer so angeordnet ist, daß er die
freie Wandeinheit oder den Gasauslaß durchquert.
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Der Filter kann vorzugsweise die Verwendung von Drahtgaze
oder einer porösen Keramikplatte einschließen.
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In dieser Wirbelschichtverbrennungsvorrichtung flieht das
Abgas, welches in der Wirbelschicht verbrannt wurde, über
die freie Wand, die höher als die Wirbelschicht angeordnet
ist, in den Auslaß der Wirbelschichtkammer. Das Abgas
durchdringt den Filter und wird in eine Auslaßleitung
abgegeben,
zu welcher Zeit das Abgas die Wärme dem Filter
mitteilt, dessen Temperatur sich ihrerseits erhöht. Der
Filter kann die Wärme dann abstrahlen. Die abgestrahlte
Wärme wird anschließend von dem Wirbelschichtmedium im
Wirbelschichtbett absorbiert, und zwar als Vorbereitung
für eine wirksame Anwendung für eine Reformierwirkung des
Reformierofens oder Erzeugung von Wasserdampf des Kessels.
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Der Filter übt eine Funktion zur Verhinderung des
Abschleuderns des Wirbelschichtmediums aus dem Auslaß aus,
und führt so die Verbrennung im Wirbelschichtbett stabil
aus, ohne Veränderungen in der Menge des
Wirbelschichtmediums zu verursachen.
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Entsprechend einem anderen Aspekt der Erfindung kann eine
Wirbelschichtverbrennungskammer eine Gasdispersionsplatte
umfassen, die in einem unteren Teil einer
Wirbelschichtkammer angeordnet ist, sowie eine Wirbelschicht, die durch
F1uidisierung des fluidisierbaren Mediums auf der
Gasdispersionsplatte angeordnet ist, wodurch ein Brennstoff in
der Wirbelschicht verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet,
dar ein Filter in einem Auslaß für verbranntes Gas oder
auf einem freien Wandraum der Wirbelschichtkammer so
angeordnet ist, daß er den freien Wandraum oder den Gasauslaß
überquert; daß eine Auslaßleitung für verbranntes Gas, die
in Fließrichtung des verbrannten Gases mit Bezug auf den
Abschnitt, an dem der Filter angeordnet ist, stromabwärts
vorgesehen ist, in eine Mehrzahl von Sub-Leitungen in
solcher Richtung unterteilt ist, die zur Leitung quer
verläuft; und daß jedes dieser so abgeteilten Abteile mit
einem Ventil und einer Gaseinspeisdüse ausgerüstet ist, die
zwischen dem Ventil und dem Filter angeordnet ist, und
zwar zum Zwecke einer Rückwaschung des Filters.
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Bei dieser Wirbelschichtverbrennungsvorrichtung überträgt
das Abgas in ähnlicher Weise die Wärme auf den Filter, und
es ergibt sich, dar Drahtgaze oder ein poröses Glied die
Wärme wieder abstrahlt. Die abgestrahlte Wärme wird dann
von der Wirbelschicht absorbiert als Vorbereitung für eine
wirksame Verwendung bei der Reformierungsaktion des
Reformierungsofens oder der Erzeugung von Wasserdampf des
Kessels.
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Der Filter dient dazu, das Herausstreuen des
Wirbelschichtmediums aus dem Auslaß zu verhindern, so daß die
Verbrennung im Wirbelschichtbett mit Stabilität erfolgt
und keine Veränderung in der Menge des
Wirbelschichtmediums verursacht wird. Während dieser Schritte werden die
Ventile der mehreren Abteile betätigt, die durch Abteilen
der Auslaßleitung erhalten werden, die in
Strömungsrichtung hinter dem Filter installiert ist. Als Ergebnis der
Ventilbetätigung werden mit dem Filter verhaftete Partikel
eliminiert. Insbesondere wird das Abgas in die
Abgasleitung durch Öffnen des Ventils eines bestimmten Abteils
abgegeben, während die Ventile anderer Abteile geschlossen
bleiben. In diesem Zustand wird das Rückwaschgas aus der
Gasdüse ausgestoßen, wodurch das Rückwaschgas auf den
Filter desjenigen Abschnittes auftrifft, an welchem jenes
Ventil positioniert ist, und fließt von der der
Wirbelschichtkammer gegenüberliegenden Seite zu einem
Freiwandraum der Wirbelschichtkammer. Das am Filter haftende
Medium wird entfernt, so daß eine Belastung des Filters
vermieden wird. Diese Operationen werden der Reihe nach bei
jedem abgetrennten Abteil durchgeführt, und die
kontinuierlichen Prozesse werden mit Stabilität bewirkt.
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Entsprechend einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine
Wirbelschichtverbrennungskammer eine Gasdispersionsplatte
umfassen, die in einem unteren Teil einer
Wirbelschichtkammer installiert ist; und eine Wirbelschicht, die durch
Fluidisierung des fluidisierbaren Mediums auf der
Gasdispersionsplatte ausgebildet ist, wodurch ein Brennstoff in
dem Wirbelschichtbett verbrannt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Filter so angeordnet ist, daß es quer zu
einer freien Wand oder einem Auslaß für verbranntes Gas
verläuft, und Platten zum Einfangen aus der Wirbelschicht
ausgestreuter Teilchen unterhalb des Filters vorgesehen
sind.
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Vorzugsweise sind die mehreren Platten zum Einfangen
ausgestreuter Teilchen im wesentlichen in den Auf- und
Abwärtsrichtungen angeordnet, und Durchlässe für das
verbrannte Gas sind zwischen den die gestreuten Teilchen
einfangenden Platten ausgebildet. Unterhalb der
Einfangplatten ist ein Verschluß vorgesehen, der befähigt ist,
intermittierend einen Gasstrom in die Durchlässe zu steuern,
oder ein Oszillator, der dem Filter Oszillationen mitteilt.
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Bei dieser Wirbelschichtverbrennungsvorrichtung läuft das
in der Wirbelschicht verbrannte Abgas durch den oberhalb
der Wirbelschicht angeordneten Freiwandraum in die
Wirbelschichtkammer. Mittlerweile fangen die Einfangplatten für
die gestreuten Teile eine gute Anzahl
Wirbelschichtpartikel auf und führen sie in das Wirbelschichtbett zurück.
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Das Abgas, welches eine kleine Menge an Partikeln enthält,
läuft durch die die gestreuten Teilchen einfangenden
Platten und erreicht den Filter, der im Auslaß oder einem
Freiwandraum angeordnet ist. Das Gas wird auf die
Augenseite des Ofens abgegeben, nachdem es den Filter
durchlaufen
hat, während die Teilchen durch den Filter eingefangen
werden.
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Das Abgas gibt die Wärme an die Platten zum Einfangen der
gestreuten Teilchen und das Filter ab, wenn es
hindurchpassiert, und es ergibt sich, daß die Platten und das
Filter auf hohe Temperaturen gelangen. Dann strahlen diese
Komponenten die Strahlungswärme ab. Anschließend an diesen
Schritt wird die Strahlungswärme von dem fluidisierten
Medium der Wirbelschicht absorbiert und weiterhin in
wirksamer Weise für die Reformierungsaktion des Reformierofens
oder für die Erzeugung von Kesseldampf angewandt.
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Beachte, dar die Filterwärme direkt in das fluidisierte
Medium im Wirbelschichtbett emittiert oder zeitweise auf
die Platten zum Einfangen der gestreuten Teilchen
überführt und von da zu dem fluidisierten Medium im
Wirbelschichtbett emittiert wird.
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Die Platten zum Einfangen der gestreuten Teilchen und der
Filter wirken miteinander zusammen, um das Ausstreuen des
fluidisierten Mediums aus dem Auslaß zu verhindern,
wodurch eine stabile Verbrennung in der Wirbelschicht ohne
Veränderung der Menge des fluidisierten Mediums bewirkt
wird.
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Auf der Basis dieser Wirbelschichtverbrennungsvorrichtung
werden die Oszillationen dem Filter mitgeteilt, und die am
Filter haftenden Teilchen werden hierdurch eliminiert.
Insbesondere bei der Gelegenheit der Veranlassung der
Oszillationen wird der Filter in einem Zustand in Schwingung
versetzt, in dem das Gas in dem Teil des Filters fließt,
der über den geschlossenen Gasdurchlässen positioniert
ist, wenn die Oszillation durch Verschließen einiger
Gasdurchlässe
mit Hilfe des Verschiusses bewirkt wird, wobei
die Durchlässe zwischen den die gestreuten Teilchen
einfangenden Platten ausgebildet sind. Auf diese Weise werden
die Teilchen sicher von dem Filter entfernt.
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Wie oben erläutert, werden die Oszillationen dem Filter in
Kombination mit dem Verschluß mitgeteilt, und die Teilchen
können hierdurch durch der Reihe nach erfolgendes
Verschliefen der Verbrennungsgasdurchlässe freigesetzt
werden. Dies gestattet kontinuierliche Betriebsweisen von
bemerkenswerter Stabilität.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung können einer
oder beide Filter und eine innere Fläche der
Wirbelschichtkammer mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet
werden, das ein hohes Abstrahlvermögen hat.
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Dort wo der Filter oder die Innenwandfläche des Ofens der
Verbrennungsvorrichtung mit dem Beschichtungsmaterial
beschichtet ist, das ein höheres Abstrahlvermögen als
dasjenige des Filters hat, kann die abstrahlende Hitze mit
höherer Wirksamkeit eingesetzt werden, mit dem Ergebnis,
dar eine Temperatur des verbrannten Gases am Durchlaß des
keramischen Gliedes auf ein Niveau abgesenkt werden kann,
das in der Nähe der Temperatur des Wirbelschichtbettes
liegt.
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Beachte, dar das oben beschriebene Filter vorzugsweise,
wie in dem früheren Fall, die Verwendung einer porösen
Keramikplatte oder von Drahtgaze einschließen kann. Die
poröse Keramikplatte hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 50
mm. Die poröse Keramikplatte hat einen
Leerstellenprozentsatz von vorzugsweise 85 bis 90 %, ein hohes
Abstrahlvermögen
(0,75 bis 0,8) sowie eine hohe
Temperaturbeständigkeitseigenschaft. Das oben erwähnte Beschichtungsmaterial
(vorzugsweise z.B. CHIRANO COAT (Warenzeichen),
hergestellt von Ube Industries, Ltd.) besteht hauptsächlich aus
Polymerisat, welches Wärmewiderstands- und antikorrosive
Eigenschaften hat, wobei das Material bei hohen
Temperaturen von 200 bis 700ºC in keramische Werkstoffe umgeformt
wird, so dar es ein hohes Strahlungsvermögen (0,9) hat.
Die poröse Keramikplatte hat einen Lochdurchmesser, der
vorzugsweise kleiner als ein Teilchendurchnesser des
Wirbelschichtmediums ist (allgemein 0,3 bis 1,0 mm).
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Die Drahtgaze ist vorzugsweise aus rostfreiem Stahl
gebildet, und ihr Lochdurchmesser ist vorzugsweise kleiner als
die Teilchengröße des Wirbelschichtmediums. Der
Lochdurchmesser ist typischerweise kleiner als 1 mm und
insbesondere 0,3 mm oder darunter, vorzugsweise jedoch größer als
0,05 mm und insbesondere 0,1 oder darüber.
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In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung kann ein Reformierofen des
Wirbelschichttyps eine Wirbelschichtkammer umfassen, weiterhin
Katalysatorrohre, die mit Katalysatoren gefüllt sind und
in der Wirbelschichtkammer vorgesehen sind. Diese Rohre
führen einen Kohlenwasserstoffbrennstoff zu; ferner ist
ein Wirbelschichtbett zum Beheizen der Katalysatorrohre
von der Außenseite her vorgesehen, um den
Kohlenwasserstoffbrennstoff in ein Gas zu verwandeln, dessen
Hauptbestandteil Wasserstoff ist. Diese Ausführungsform ist
dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der
Katalysatorrohre horizontal angeordnet ist, wobei zur Erreichung einer
horizontalen Position die Rohre in der Wirbelschichtkammer
höher als eine Gasdispersionsplatte angeordnet sind.
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Das horizontale Katalysatorrohr kann ein schraubenförmiges
Band einschließen, das sich in Rohrlängsrichtung entlang
der inneren Rohrumfangswand erstreckt, wobei das Rohr mit
Katalysatoren mit maximaler Dichte gefüllt ist. Als ein
bevorzugter Katalysator kommt beispielsweise G-56H-1 in
Frage, der von Nissan Gardler Corp. zur Verfügung gestellt
wird, oder R-67-7H, hergestellt durch Topso Corp., USA.
Ein Durchmesser des Katalysators ist vorzugsweise 3 bis 30
mm, vorzugsweise 5 bis 20 mm.
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Die oben beschriebene Gasdispersionsplatte kann aus zwei
Stücken von Unterteilungsplatten bestehen, die mit in
vertikaler Richtung ausgebildeten Luftzwischenräumen und
einer Mehrzahl von Gasdüsen angeordnet sind, wobei die Düsen
die Zwischenwandplatten in der Auf- und Abwärtsrichtung
durchdringen. Die Luftzwischenräume können als
Gasbrennstoff-Zuführdurchlässe dienen. Die Gasdispersionsplatte
kann so konstruiert sein, daß die Wände der Gasdüse, die
in dem Gasbrennstoff-Zuführdurchlaß angeordnet ist, mit
kleinen Löchern perforiert ist, durch die hindurch der
Gasbrennstoff eingeleitet wird.
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Basierend auf der Anordnung, dar die Mehrzahl der
Katalysatorrohre in der horizontalen Richtung plaziert sind,
korreliert eine Setzhöhe jedes der Katalysatorrohre oder
ein Höhenabstand, mit welchem die Katalysatorrohre
angeordnet sind, mit einer Menge des eingegebenen
Wirbelschichtmediums. Die Setzhöhe und der Höhenabstand kann
einstellbar gesetzt werden, so daß er in einem Verhältnis
variiert, bei dem das Wirbelschichtmedium in Kontakt mit
den Katalysatorrohren gebracht wird, d.h. die Anzahl der
in die Wirbelschicht eingebetteten Rohre ändert sich mit
der Höhe der Wirbelschicht entsprechend den
Belastungsfluktuationen
in dem Reformierofen. Daraus folgt, daß eine
Gesamtmenge von Wärme von dem Wirbelschichtbett auf die
Katalysatorrohre in Übereinstimmung mit einem Anwachsen
oder Abnehmen der Belastung (Gasmenge) des Reformierofens
übertragen wird. Eine Breite von Fluktuationen in der
Temperatur der Wirbelschicht kann auf diese Weise minimal
gehalten werden. Es ist daher möglich, durch Steuerung von
einer Situation freizuwerden, in welcher die
Wirbelschichttemperatur nach Bewirkung eines guten Teils an
Wärmeaustausch wie im Falle der Anordnung konventioneller
Katalysatorrohre in der vertikalen Richtung abnimmt, selbst
wenn die Reformierofenbelastung abfällt. Infolgedessen
kann der Reformierofen selbst dann stabil betrieben
werden, wenn die Belastung klein ist.
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Die horizontale Anordnung der Katalysatorrohre gestattet
eine extreme Verringerung in der Höhe eines stationären
Wirbelschichtbettes mit Bezug auf die oben erwähnte
Setzhöhe, so daß sich auf diese Weise ein sogenanntes
Flachbett ergibt. Aus diesem Grund kann ein Druckverlust des
Wirbelschichtgases verringert werden, und ein
Leistungsverlust wird in ähnlicher Weise reduziert.
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Es ist auch möglich, die Höhe, auf welche das
Wirbelschichtmedium gestreut wird, zu reduzieren, und der
Freiwandraum kann ebenfalls auf geringe Höhe beschränkt
werden. Dies trägt zu einer Größenverminderung des
Reformierofens bei.
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Unter solchen Umständen zeigt der Reformierofen des
Wirbelschichttyps gemäß der vorliegenden Erfindung die
Merkmale, welche der Wärmeübertragung des Wirbelschichtbetts
inhärent sind. Der Reformierofen kann zu einer
gleichförmigen
Wärmeübertragung auf die Katalysatorrohre befähigt
sein sowie zu einer Reformierung des
Kohlenwasserstoffbrennstoffes mit einem hohen Wirkungsgrad, während eine
ausreichend hohe Ansprechgeschwindigkeit auf
Belastungsvariationen aufrechterhalten bleibt.
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Ein schraubenförmiges Band kann an der inneren Wandfläche
des Katalysatorrohres angeordnet werden, das mit den
Katalysatoren mit maximaler Dichtheit beladen ist. Wenn das
Katalysatorrohr horizontal angeordnet ist, verhindert
diese Anordnung, daß die Katalysatoren in einem
größtmöglichen Ausmaß in dem oberen Abschnitt sich verdünnen, wenn
sich die Katalysatoren in dem unteren Abschnitt durch ihr
Eigengewicht konzentrieren. Wenn ein räumlicher Anteil in
dem oberen Abschnitt ausgeformt ist, wirkt das
schraubenförmige Band dahingehend, eine sich drehende Gasströmung
zu erzeugen, die durch das Rohr hindurchverläuft, und
daher flieht das Gas lediglich durch den oberen Spalt,
jedoch nicht auf die stromabwärts gelegene Seite. Auf diese
Weise ist es möglich, eine Situation zu vermeiden, in
welcher Teile des Katalysators in ihrer Temperatur abnorm
ansteigen. Das schraubenförmige Band kann auch zu einer
weiteren Verbesserung des Wärmeübertragungskoeffizienten
einer Beladungsschicht beitragen.
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Der Gasbrennstoff wird in die Mehrzahl der Gasdüsen der
Gasdispersionsplatte eingeführt und anschließend zusammen
mit der fluidisierenden Luft in das Wirbelschichtbett
eingespeichert. Zu diesem Zeitpunkt kann der Gasbrennstoff
gleichförmig in der Wirbelschicht ausgebreitet und dort
verbrannt werden, um die Wirbelschichttemperatur konstant
zu halten. Die Mehrzahl der Katalysatorrohre, die sich
entlang in den seitlichen Richtungen erstrecken, kann auf
diese Weise gleichförmig beheizt werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
werden nunmehr mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, in denen zeigen:
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Fig. 1 eine Vertikalschnittansicht mit der
Darstellung einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 eine Vertikalschnittansicht mit der
Darstellung einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 3 eine Schnittansicht im wesentlichen
entlang der Linie 3-3 in Figur 2;
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Fig. 4 eine Schnittansicht mit der Darstellung
einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 6 und 7 vertikale Schnittansichten zur
Unterstützung der Erläuterung der Funktion
einer Verschlußplatte, jeweils als
Darstellung der Vorrichtungsinnenseite;
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Fig. 8 und 9 vertikale Ansichten mit der Darstellung
anderer Konstruktionen der
Verschlußplatte;
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Fig. 10 eine vertikale Schnittansicht mit der
Darstellung einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 11 eine Schnittansicht im wesentlichen
entlang der Linie 11-11 in Figur 10;
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Fig. 12 eine vertikale Schnittansicht mit der
Darstellung einer Konfiguration des
Inneren des Katalysatorrohrs;
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Fig. 13 eine Schnittansicht im wesentlichen
entlang der Linie 13-13 in Figur 12 und
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Fig. 14 eine vertikale Schnittansicht mit der
Darstellung einer Dispersionsplatte.
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Wie sich zunächst aus Figur 1 ergibt, ist dort eine
Vertikalschnittansicht eines Wirbelschicht-Reformierofens
dargestellt, der als illustrative Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung als eine
Wirbelschichtverbrennungsvorrichtung konzipiert ist.
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Diese Art eines Reformierofens ermöglicht es,
Wasserstoffgas durch Reformierung von Kohlenwasserstoffgas,
beispielsweise ein Stadtgas, in Dampf zu erzeugen. Das
Wasserstoffgas wird in eine (nicht dargestellte)
Brennstoffzelle eingespeist.
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Ein allgemein mit 10 bezeichneter Reformierofenkörper
umfast eine Gasdispersionsplatte 12, die am darin
vorgesehenen Boden so plaziert ist, dar sie das Ofeninnere
durchquert. Nach unten abgeteilt von der Gasdispersionsplatte
12 befindet sich eine Verbrennungskammer 14, deren
Ofenwand mit einem Gasbrenner 16 ausgestattet ist. Der Brenner
16 ist mit nicht dargestellten Gas- und Luftzuführrohren
verbunden.
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Oberhalb der Gasdispersionsplatte 12 ist eine
Wirbelschichtkammer 17 ausgebildet, in der eine Mehrzahl von
Katalysatorrohren 18 angeordnet ist. Die Katalysatorrohre
18 nehmen jeweils eine horizontale Position ein und sind
in mehreren Stufen in der Auf- und Abwärtsrichtung
angeordnet. Es ist zu beachten, daß bei dieser Ausführungsform
die Katalysatorrohre 18 in vertikaler Anordnung in
Zickzack-Konfiguration in vier Stufen vorliegen. Jedes
Katalysatorrohr 18 ist mit Katalysatoren zur Reformierung von
Kohlenwasserstoffgas in Dampf gefüllt, beispielsweise
Vanadium oder Nickel.
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Das Bezugszeichen F stellt eine Wirbeischicht dar, die von
einem fluidisierbaren Medium gebildet ist, beispielsweise
Sand oder Aluminiumoxyd mit kleinem Teilchendurchmesser.
Das Bezugszeichen 17a bezeichnet einen Freiwandraum, der
oberhalb der Wirbelschicht F ausgebildet ist. Ein
Abgasauslaß 30 ist oberhalb der Wirbelschichtkammer 17
vorgesehen.
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Die Katalysatorrohre 18 werden mit Kohlenwasserstoffbrenn
stoff, beispielsweise ein Stadtgas, als auch mit
Wasserdampf gespeist.
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Die Gasdispersionsplatten 12 sind aus oberen
Abtrennplatten 12a und unteren Abtrennplatten 12b zusammengesetzt,
die in Abständen in der Auf- und Abwärtsrichtung so
angeordnet sind, dar sie den Ofenkörper 10 durchqueren.
Zwischen den oberen und unteren Abtrennplatten 12a und 12b
sind räumliche Abschnitte ausgebildet, die jeweils
Gasbrennstoff-Zuführdurchlässe bilden.
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Gasdüsen 40 sind ortsfest so ausgebildet, dar sie die
oberen
und unteren Abtrennplatten 12a und 12b vertikal
durchdringen. Gasbrennstoff-Einführiöcher 40a sind in
denjenigen Wandflächen der Gasdüsen 40 einperforiert, die den
Gasbrennstoff-Zuführdurchlässen 41 entsprechen. Die
unteren Enden der Gasdüsen 40 sind offen und stehen mit der
Verbrennungskammer 14 in Verbindung. An den oberen
Abschnitten der Gasdüsen 40 sind Ausblaslöcher 40b
ausgebildet, um das in der Verbrennungskammer 14 verbrannte Gas
oder den Gasbrennstoff, der aus den
Gasbrennstoff-Einführlöchern 40a eingeführt wird, in die Wirbelschichtkammer 17
einzudüsen. An den oberen Enden der Gasdüsen 40 sind
Abdeckglieder 40c befestigt die verhindern, daß
Wirbelschichtmedium in die Ausbiaslöcher 40b eindringt.
Gasbrennstoff-Zuführöffnungen 41a sind in der Wand des
Ofenkörpers 10 ausgebildet und kommunizieren mit den
Gasbrennstoff-Zuführdurchlässen 41.
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Ein poröses Keramikglied 20 ist so an einem Abgasauslaß 30
vorgesehen, dar es quer über den Auslaß verläuft. Ein
Beschichtungsmaterial 21 ist, wie durch eine gebrochene
Linie in der Figur angegeben, auf die Fläche des keramischen
Gliedes 20 aufgebracht, die zur Wirbelschichtkammer l7 hin
gerichtet ist, wie auch auf die innere Wandfläche des
Ofenkörpers, wobei die innere Ofenwandfläche höher
positioniert ist als die Höhe, bei welcher die Katalysatorrohre
18 in der Wirbelschichtkammer 17 angeordnet sind. Die
Beschreibung richtet sich als nächstes auf die Betriebsweise
des so konstruierten Wirbelschicht-Reformierofens.
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Der Gasbrennstoff, beispielsweise Stadtgas, und die Luft
werden dem Gasbrenner 16 zugeführt, der seinerseits den
Gasbrennstoff in der Verbrennungskammer 14 verbrennt.
Daraufhin wird der verbrannte Brennstoff aus den Gasdüsen 40
in die Wirbelschichtkammer 17 eingeleitet. Ein anderer
Gasbrennstoff (beispielsweise ein Abgas einer
Brennstoffbatterie) wird über die Brennstoffeinlaßöffnung 41a zu den
Gasbrennstoff-Zuführdurchlässen 41 eingeführt, die in der
Gasdispersionsplatte 12 ausgebildet sind. Der
Gasbrennstoff wird dann über die Einführlöcher 40a und
Ausblaslöcher 40b der Gasdüsen 40 in die Wirbelschichtkammer 17
eingespeist.
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Der Gasbrennstoff, der aus der Verbrennungskammer 14
kommt, und auch der Gasbrennstoff aus den Gasbrennstoff-
Zuführdurchlässen 41 werden in die Wirbelschichtkammer 17
eingeführt, wodurch das fluidisierbare Medium, mit dem die
Wirbelschichtkammer 17 beschickt ist, fluidisiert und
aufgeheizt wird, so daß sich das Wirbelschichtbett F ergibt.
Gleichzeitig wird der Gasbrennstoff innerhalb der
Wirbelschicht F zersprüht und dort verbrannt, und es folgt dap
das Wirbelschichtbett F gleichförmiger beheizt wird.
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Die Katalysatorrohre 18 werden mit Kohlenwasserstoff-
Brenngas, beispielsweise Stadtgas, und dem Wasserdampf
gespeist.
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Die Katalysatorrohre 18 werden von der aufgeheizten
Wirbelschicht F beheizt, wodurch sich der Kohlenwasserstoff-
Brennstoff, beispielsweise das Stadtgas, der durch die
Katalysatoren, beispielsweise Vanadium oder Nickel, die in
die Katalysatorrohre 18 eingebracht sind, fließt,
teilweise zersetzt. Der so zersetzte Brennstoff wird zu einem Gas
reformiert, das hauptsächlich aus Wasserstoff und
Kohlenmonoxyd zusammengesetzt ist. Das reformierte Gas wird dann
aus den Katalysatorrohren 18 herausgenommen, und der sich
ergebende Wasserstoff wird in die Brennstoffzelle
eingespeist.
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Das in der Wirbelschicht verbrannte Abgas fließt von dem
Freiwandraum 17a zum Abgasauslaß 30 und passiert dabei das
dort vorgesehene poröse, keramische Glied 20. Das Abgas
gelangt ferner in eine Auslaßleitung 31. Während dieses
Prozesses wird das poröse, keramische Glied 20 durch die
von dem Abgas abgegebenen Wärme erhitzt und die
Strahlungswärme wird hierdurch hauptsächlich auf der
stromaufwärts gelegenen Seite (auf der Seite der Wirbelschicht F)
abgegeben. Die Strahlungswärme wird von dem
Wirbelschichtmedium absorbiert, welches seinerseits zum Zwecke des
Reformier-Prozesses aufgeheizt wird.
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Der Reformierofen einschließlich des porösen, keramischen
Gliedes 20, das am Verbrennungsgasauslaß 30 vorgesehen
ist, wird unter einer Bedingung betrieben, dar eine
Temperatur der Wirbelschicht F bei 800ºC eingestellt wird, und
wenn das verbrannte Gas an den Einlässen des porösen
keramischen Gliedes 20 900ºC erreicht, und zwar aufgrund der
Verbrennung im Freiwandraum 17a, liegt die Temperatur des
verbrannten Gases an den Auslässen des porösen,
keramischen Gliedes 20 bis etwa 810ºC. Dort, wo die Oberfläche
des porösen, keramischen Gliedes 20 mit CHIRANO COAT als
Beschichtungsmaterial 21 mit hohem Abstrahlvermögen
beschichtet ist, fällt die Abgastemperatur auf 800ºC und
etwa auf die Temperatur der Wirbelschicht F ab. In diesem
Falle wird ein Unterschied einer Abstrahlwärmemenge Q, der
die durch die folgende Formel gegeben ist, theoretisch in
Übereinstimmung mit einem Unterschied zwischen einem
Strahlungsvermögen
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ε 1 = 0,9 des als Beschichtungsmaterial benutzten CHIRANO
COAT und einem Strahlungsvermögen von ε 1 = 0,75 des
porösen,
keramischen Gliedes 20 erzeugt.
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worin bedeuten: Q die Wärmemenge (Kcal/h), t1 die
Temperatur (ºC) der Wandoberfläche, t2 die Temperatur (ºC) des
Wirbelschichtmediums und ε 2 das Strahlungsvermögen des
Wirbelschichtmediums.
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Andererseits wird während des Betriebes etwas an
Wirbelschicht nach oben zusammen mit dem verbrannten Abgas
gestreut und versucht, aus dem Abgasauslaß 30 auszutreten.
In diesem Zeitpunkt werden die gestreuten Partikel durch
das poröse, keramische Glied 20 eingefangen, wodurch ihre
Zerstreuung verhindert ist. Das Wirbelschichtmedium wird
in keiner Weise aus der Wirbelschichtkammer 17 zur
Außenseite des Ofens hin abgegeben. Es entsteht kein Verlust an
Wirbelschichtmedium. Aus diesem Grund kann in der
Wirbelschichtkammer 17 eine konstant stabilisierte Fluidisierung
erreicht werden, und die Verbrennung verläuft ebenfalls
stabil. Daneben ist ein Mittel zum Einfangen der Partikel
in separater Weise nicht erforderlich. Die
Wirbelschichtkammer 17 wird daher in ihrer Konfiguration nicht
vergrößert, was zu einer Gröpenreduzierung der
Verbrennungsvorrichtung führt.
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Die Figur 2 zeigt eine Vertikalschnittansicht eines
Wirbelschicht-Reformierofens, der bei einer anderen
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als eine
Wirbelschichtverbrennungsvorrichtung ausgebildet ist. Figur 3
ist eine Draufsicht in Richtung der Pfeile im wesentlichen
entlang der Linie 3-3 in Figur 1 und zeigt einen Auslaß
für verbranntes Gas. Figur 4 ist eine Schnittansicht im
wesentlichen entlang der Linie 4-4 in Figur 3.
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Eine unterschiedliche Anordnung mit Bezug auf die
Vorrichtung, die in Figur 2 bis 4 dargestellt ist, und die in
Figur 1 dargestellte Vorrichtung wird nachstehend
beschrieben.
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In der Auslaßleitung 31 für verbranntes Gas ist auf der
stromabwärts gelegenen Seite hinter dem porösen,
keramischen Glied 20 eine Dispersionsplatte 32 angeordnet, die
den Querschnitt der Leitung in zwei Teile unterteilt, so
dar sich die Dispersionsplatte in einem vorbestimmten
Abstand von der Oberfläche des porösen, keramischen Gliedes
20 in einer solchen Richtung erstreckt daß sie einem
Gasstrom folgt. Die Leitung 31 dieses Abschnittes ist mit
zwei Kammern 33 versehen. Jede Kammer 33 ist mit einem
Ventil 34 ausgerüstet, das um eine Ventilachse 35 drehbar
ist. Die Ventilachse 35 jeder Kammer 33 ist axial auf
einem Lager 36 zwischen einer Außenwandfläche der
Auslaßleitung 31 und der Gasdispersionsplatte 32 abgestützt. An
einem axialen Ende des Ventilschaftes 35 an der Seite der
Außenfläche der Auslaßleitung 31 ist ein Antriebshebel 36
befestigt, der mit einer nicht dargestellten
Antriebsquelle, beispielsweise einem Luftzylinder, verbunden ist. Die
Ventile 34 der jeweiligen Kammer können unabhängig
voneinander geöffnet und geschlossen werden. Die Ventilachsen 35
der beiden Kammern 33 sind so angeordnet, daß sie in der
Auf- und Abwärtsrichtung geringfügig voneinander abweichen.
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Zwischen der Ventilachse 35 und dem porösen, keramischen
Glied 20 sind die beiden Kammern 33 mit Gasdüsen 37 zum
Einführen eines Rückwaschgases für das poröse, keramische
Glied 20 versehen. Mit den Gasdüsen 37 sind nicht
dargestellte Druckluftrohre verbunden.
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Die anderen Konfigurationen sind die gleichen wie
diejenigen, wie sie in Figur 1 dargestellt sind. unterschiedliche
Betriebsweisen der Vorrichtung von derjenigen, wie sie in
Figur 1 dargestellt sind, werden erläutert.
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Ein Teil des Wirbelschichtmediums wird zusammen mit dem
verbrannten Abgas während des Betriebes nach oben gestreut
und macht einen Versuch, aus dem Abgasauslaß 30
auszutreten. Zu diesem Zeitpunkt werden die gestreuten Partikel
durch das poröse, keramische Glied 20 eingefangen, welches
am Auslaß 30 vorgesehen ist. Das Zerstreuen der Teilchen
wird auf diese Weise verhindert. Das Wirbelschichtmedium
wird aus der Wirbelschichtkammer 17 nicht auf die
Augenseite des Ofens abgegeben. Ein Verlust an
Wirbelschichtmedium ist auf diese Weise vermieden. Wie oben erläutert,
werden die von dem porösen, keramischen Glied 20 erfaßten
Partikel später hiervon abgetrennt. Die Abtrennung der
Partikel von dem keramischen Glied 20 schließt, wie in den
Zeichnungen dargestellt, folgende Schritte ein: Einströmen
des Abgases in die Auslaßleitung 31, während eines der
Ventile 34, die in den beiden unterteilten Kammern 33
vorgesehen sind, offen bleibt (Zustand der linken Kammer 33
in Figur 4), nachfolgendes Verschließen des anderen
Ventils 34, Einführung des Rückwaschgases aus den Gasdüsen
37, wobei im wesentlichen ein Raum zwischen dem Ventil 34
und dem porösen, keramischen Glied 20 dicht verschlossen
wird (Zustand der rechten Kammer 33 in Figur 4), und
Rückwaschung des porösen, keramischen Gliedes 20, das in der
geschlossenen Kammer 33 angeordnet ist. Es ist zu
beachten, daß die mit gebrochenen Linien dargestellten Pfeile
den Fluß des Rückwaschgases anzeigen. Die so abgetrennten
Partikel fallen in das Wirbelschichtbett F hinab. Als
nächstes wird das Ventil 34 der Kammer 33, in der die
Rückwaschung nunmehr durchgeführt ist, geöffnet, während
das Ventil 34 der Kammer 33, in die das Abgas abgegeben
wird, geschlossen wird. Das poröse, keramische Glied 20,
das in diesem Abschnitt angeordnet ist, unterliegt der
Rückwaschung. Ein solcher Wechsel-Rückwaschprozeß wird
periodisch oder aufeinanderfolgend während des Betriebes
ausgeführt. Der sanfte Betrieb wird stabil durchgeführt,
ohne dap eine Beladung in dem porösen, keramischen Glied
20 veranlaßt wird. Natürlich sind während des
Normalbetriebes beide Ventile 34 geöffnet; und die Ventile
brauchen lediglich während des Rückwaschprozesses alternativ
geöffnet und geschlossen werden.
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Das Austreten von Wirbelschichtmedium aus der
Wirbelschichtkammer 17 kann in wirksamer Weise verhindert
werden, so dap in der Kammer eine stabile Fluidisierung
erfolgt. Daher kann die stabile Verbrennung erreicht werden,
und das Mittel zum Einfangen der Teilchen ist nicht
separat erforderlich. Dies trägt zu einer Verringerung in der
Konfiguration der Wirbelschichtkammer 17 bei, was zu der
Miniaturisierung der Verbrennungsvorrichtung beiträgt.
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Figur 5 ist eine Vertikalschnittansicht mit der
Darstellung eines Wirbelschicht-Reformierofens, der gemäß einer
noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
als Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung konzipiert ist.
Figur 6 und 7 sind vergrößerte Darstellungen, die jeweils
deren Hauptteil darstellen. Eine unterschiedliche
Anordnung der Vorrichtung, gemäß Figur 5 und 7, von derjenigen
gemäß Figur 1 wird nachstehend erläutert.
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Am Auslaß 30 ist ein Übertragungsrohr 31 angeordnet,
welches der Wiedergewinnung der Abfallwärme dient und
geeignet ist, die Luft oder den Brennstoff aufzuheizen, der in
die Verbrennungskammer 14 eingespeist wird, oder den
Brennstoff, der, wie später erwähnt, zu einer
Einspeisöffnung 41 geführt wird.
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Wie in Figur 6 und 7 dargestellt, ist Drahtgaze 50
oberhalb des Freiwandraums 17a vorgesehen und innerhalb des
Ofenkörpers 10 quer angeordnet. Unter der Drahtgaze 50 ist
eine Einfangplatte 52 zum Einfangen der Partikel des
Wirbelschichtmediums befestigt die aus der Wirbelschicht F
herausgeschleudert werden. Bei dieser Ausführungsform ist
die Einfangplatte 52 für die gestreuten Teilchen so
angeordnet, daß ihr oberes Ende der Drahtgaze 50 benachbart
ist. Unter der Einfangplatte 52 für die gestreuten
Partikel ist eine Verschlußplatte 54 vorgesehen.
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In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform ist die
Streuteilcheneinfangplatte 52 aus einem haken- und
tafelförmigen Glied zusammengesetzt. Die Oberflächen der
Streuteilcheneinfangplatte 52 sind nach oben und unten
gerichtet. Durchlässe 56 für verbranntes Gas (mit den Ziffern
(1) - (6) in Figur 6 und 7) sind zwischen den
Streuteilcheneinfangplatten 52 und zwischen der inneren Wandfläche
des Ofenkörpers 10 und den Streuteilcheneinfangplatten 52
ausgebildet.
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Die Verschlußplatte 54 wird in der Horizontalrichtung von
einer Antriebseinheit 58, beispielsweise einem außerhalb
des Ofenkörpers 10 installierten Luftzylinder angetrieben.
Die Verschlußplatte 54 ist mit Perforationsöffnungen 60
versehen, die jeweils eine Breite haben, die gleich einem
Abstand zwischen den Streuteilcheneinfangplatten 52 ist,
wobei die Öffnungen in diesem Abstand vorgesehen sind. Die
Verschlußplatte 54 ist, wie in Figur 6 und 7 dargestellt,
dazu eingerichtet, die Durchlässe 56 abwechselnd zu
öffnen. In Figur 6 sind die Durchlaßgruppen 56 (1), 56 (3)
und 56 (5) geöffnet, während die Durchlaßgruppen 56 (2),
56 (4) und 56 (6) geschlossen sind. Nach Betätigung der
Antriebseinheit 58 werden, wie in Figur 7 dargestellt, die
Durchlaßgruppen 56 (2), 56 (4) und 56 (6), die durch die
Verschlupplatte 54 verschlossen waren, anschließend über
die Öf fnungen 60 geöffnet. In scharfem Gegensatz hierzu
werden die Durchlapgruppen 56 (1), 56 (3) und 56 (5),
welche über die Öffnungen 60 geöffnet waren, anschließend
durch die Verschlußplatte 54 verschlossen.
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Natürlich fließt im Zustand der Figur 6 das Gas lediglich
durch die Durchlaßgruppen 56 (1), 56 (3) und 56 (5).
Demgegenüber strömt im Zustand der Figur 7 das Gas lediglich
durch die Durchlaßgruppen 56 (2), 56 (4) und 56 (6).
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Außerhalb des Ofenkörpers 10 ist eine Schwingeinheit 62
installiert, beispielsweise eine Hammervorrichtung, um der
Drahtgaze 50 Schwingungen mitzuteilen. Die Drahtgaze 50
wird durch die Schwingeinheit 52 in Schwingungen versetzt
so daß die Teilchen, die an der Drahtgaze haften, frei
werden.
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Unterschiedliche Betriebsweisen der in Figur 5 bis 7
dargestellten Vorrichtung gegenüber denjenigen der Figur 1
werden nachstehend beschrieben.
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Das im Wirbelschichtbett F verbrannte Abgas passiert die
in der Verschlußplatte 54 ausgebildeten Öffnungen und
dringt in die Durchlässe 56 zwischen den Einfangplatten 52
für die gestreuten Partikei ein. Die Durchlässe 56 nehmen
jeweils eine gebogene Konfiguration ein, um die Richtung
der Gasströmung zu ändern, mit dem Ergebnis, daß die grobe
Mehrheit der vom Gas mitgeführten Teilchen auf die
Streuteilcheneinfangplatten 52 auftreffen. Die Teilchen fallen
unmittelbar auf die Wirbelschicht F herab. Einige der
Teilchen, welche die Durchlässe 56 zusammen mit dem
verbrannten Gas durchdrungen haben, verhaften sich mit der
Drahtgaze 50, und die restlichen Partikel fliegen zusammen
mit dem verbrannten Gas in den Gasauslaß 30. Das
verbrannte Gas unterliegt einem Wärmetausch mit dem
Wärmeübertragungsrohr 31, das am Auslaß 30 vorgesehen ist, und wird
auf die Außenseite des Ofenkörpers 10 abgegeben.
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Mittlerweile werden die Drahtgaze 50, die
Streuteilcheneinfangplatten 52 und die Verschlußplatte 54 durch die vom
Abgas abgegebene Wärme aufgeheizt, und die Strahlungswärme
wird an das Wirbelschichtbett F abgegeben. Die
Strahlungswärme wird dann vom Wirbelschichtmedium absorbiert,
welches in der Wirbelschicht F vorliegt. Die Wirbelschicht
wird ihrerseits zur Ausnützung in dem Reformierungsprozeß
aufgeheizt. Zu beachten ist, daß die Wärme der Drahtgaze
50 direkt der Wirbelschicht F mitgeteilt oder als
Strahlungswärme abgestrahlt oder an die Streuteilcheneinfang
platten 52 abgegeben wird, und die Strahlungswärme wird
von den Streuteilcheneinfangplatten 52 an das
Wirbelschichtbett F abgegeben.
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Ein gewisser Betrag der weggeführten Wärme des Abgases
wird über die Drahtgaze 50, die
Streuteilcheneinfangplatten 52 und die Verschlußplatte 54 der Wirbelschicht F
zurückgegeben. Infolgedessen kann die für das
Reformierverfahren
benötigte Energie reduziert werden, was zu einem
Abfall in der Menge des verbrauchten Brennstoffes führt.
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Bei dem in Figur 5 bis 7 dargestellten Reformierofen wird
die Vorrichtung unter einer solchen Bedingung betrieben,
dar eine Temperatur der Wirbelschicht bei 780ºC
eingestellt wird. Eine Temperatur des verbrannten Gases
erreicht durch die Verbrennung im Freiwandraum 17a unter der
Drahtgaze 50 einen Wert von 880ºC. In diesem Falle läßt
sich feststellen, dar die Temperatur des verbrannten Gases
oberhalb der Drahtgaze 50 etwa 790ºC beträgt und die
Wärmemenge, die diesem Temperaturunterschied entspricht, wird
zurückgewonnen.
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Das Wirbelschichtmedium wird zusammen mit dem verbrannten
Abgas teilweise nach oben gestreut. Die gestreuten
Teilchen werden jedoch durch die Streuteilcheneinfangplatten
52 wie auch durch die Drahtgaze 50 eingefangen. Daher wird
das Wirbelschichtmedium aus der Wirbelschichtkammer 17
nicht auf die Außenseite des Ofens abgegeben, womit ein
Verlust des Wirbelschichtmediums verhindert ist.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung
reduziert die Bereitstellung der Streuteilcheneinfangplatten
52 einen Anteil der sich mit der Drahtgaze 50 verhaftenden
Teilchen. Jedoch werden die Teilchen stufenweise mit der
Drahtgaze 50 verhaftet, wenn die Wirbelschichtverbren
nungsvorrichtung kontinuierlich betrieben wird. Zur
Befreiung der anhaftenden Teilchen wird die Schwingeinheit
62 betätigt, um die Oszillationen der Drahtgaze 50 zu
veranlassen. Bei den Oszillationen der Drahtgaze 50 werden
die mit ihr verhafteten Teilchen abgelöst. Insbesondere
wird der Gasstrom nicht auf die Drahtgaze 50 geblasen, die
oberhalb der Durchlässe 56 (56 (2), 56 (4) und 56 (6) in
Figur 6) angeordnet ist, welche ihrerseits durch die
Verschlußplatte 54 verschlossen sind. Daher lösen sich die
Partikel unmittelbar nach dem Aufbringen der Oszillationen
nahezu vollständig ab. Es ist festzustellen, daß die von
der Drahtgaze 50 abgelösten und auf der Verschlußplatte 54
angesammelten Partikel anschließend von der
Verschlußplatte 54 auf das Wirbelschichtbett F herabfallen, wenn die
Verschlußplatte horizontal bewegt wird.
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Wenn die Verschlußplatte 54 bewegt und in den in Figur 7
dargestellten Zustand verbracht wird, werden die
Durchlaßgruppen 56 (1), 56 (3) und 56 (5), welche offengeblieben
sind, nunmehr geschlossen. Stattdessen verbleiben die
Durchlaßgruppen 56 (2), 56 (4) und 56 (6) unverschlossen.
Wenn anschließend der Drahtgaze 50 die Oszillationen
mitgeteilt werden, werden die Partikel von der Drahtgaze 50
oberhalb der geöffneten Durchlapgruppen 56 (2), 56 (4) und
56 (6) nahezu vollständig abgelöst.
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Wie oben erläutert, kommen bei jeder Bewegung der
Verschlußplatte 54 entweder die Durchlaßgruppen 56 (1), 56
(3) und 56 (5) oder die Durchlaßgruppen 56 (2), 56 (4) und
56 (6) in den geöffneten Zustand, und daher flieht das
verbrannte Gas innerhalb der Wirbelschichtkammer 17 nach
aufwärts.
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Die mit der Drahtgaze 50 verhafteten Teilchen können
sicher von der Drahtgaze 50 entfernt werden, während die
Wirbelschichtverbrennungsvorrichtung kontinuierlich weiter
betrieben wird.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform sind die
Schwingeinheit 62 und die Verschlußvorrichtung (bestehend
aus der Verschlupplatte 54 und der Antriebseinheit 58)
vorgesehen. In Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung können jedoch die Schwingeinheit 52 und die
Verschlußvorrichtung auch weggelassen werden; oder es kann
alternativ die Verschlußvorrichtung allein entfallen.
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Die Figuren 8 und 9 sind Vertikalschnittansichten und
zeigen jeweils eine verschiedene Konfiguration der bei der
Erfindung angewandten Streuteiicheneinfangplatten. Unter
Bezugnahme zunächst auf Figur 8 sind dort
Streuteilcheneinfangplatten 52A dargestellt, die jeweils im
wesentlichen in einer S-Form gekrümmt sind. Mit Bezug auf Figur 9
sind dort Streuteilcheneinfangplatten 52B dargestellt, von
denen jede die Gestalt eines umgekehrten V annimmt. Die
Streuteilcheneinfangplatten 52B der Figur 9 finden
hauptsächlich in einer illustrativen Ausführungsform Anwendung,
bei welcher die Verschlußvorrichtung nicht zum Einsatz
gelangt.
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Wie aus Figur 9 hervorgeht, sind die
Streuteilcheneinfangplatten auf der Basis der Mehrstufenanordnung oben
oder unten angeordnet. Die Streuteilcheneinfangplatten
können jedoch auch in den Mehrfachstufen vertikal
übereinander angeordnet sein.
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Alle oben angegebenen, illustrativen Ausführungsformen
beschäftigen sich mit Reformierofenvorrichtungen Die
vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf
Wirbelschichtkessel angewandt werden.
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Figur 10 ist eine Vertikalschnittansicht mit der
Darstellung eines Wirbelschichtreformierofens in einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figur 11 ist
eine Schnittansicht in Richtung der Pfeile im wesentlichen
entlang der Linie 11-11 von Figur 10. Figur 12 ist eine
vergrößerte Vertikalschnittansicht mit der Darstellung
eines Teiles X. Figur 13 ist eine in Richtung der Pfeile im
wesentlichen entlang der Linie 12-12 von Figur 12
verlaufende Ansicht zur Unterstützung der Erklärung eines
Schrittes zur Befestigung eines schraubenförmigen Bandes.
Figur 14 ist eine vergrößerte Darstellung mit der
Einzeldarstellung einer Gasdispersionsplatte.
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Eine unterschiedliche Anordnung der Vorrichtung in dieser
Ausführungsform gegenüber derjenigen von Figur 1 wird wie
folgt erläutert.
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Oberhalb des Freiwandraums 17a ist ein Vorheizer 69 zum
Vorheizen des Gasbrennstoffes installiert, der dem
Gasbrenner 16 zugeführt wird, oder des Gasbrennstoffes, der
in die Gasdüsen einer Dispersionsplatte 12 eingeführt
wird, was später erwähnt werden wird, oder des
Kohlenwasserstoffbrennstoffes, beispielsweise Stadtgas, unter
Verwendung des verbrannten Abgases, wobei der Brennstoff in
die Katalysatorrohre 18 eingespeist wird. Der Abgasauslaß
30 ist auf der stromabwärts gelegenen Seite des Gases aus
dem Vorerhitzer 69 ausgebildet.
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Wie in Figur 14 dargestellt, sind obere und untere
Trennplatten 12a und 12b mit adiabatischen Materialien 13
beschichtet. Zu beachten ist, daß Wasserrohre so angeordnet
werden können, daß sie sowohl durch die oberen und unteren
Trennplatten 12a und 12 b als auch durch die adiabatischen
Materialien 13 verlaufen und auf diese Weise eine
Wasserkühlplatte vermitteln.
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Ein Ende des Katalysatorrohres 18 ist, wie in Figur 11 zur
Unterstützung der Erläuterung des Montageschrittes
dargestellt, fest mit der Wand des Ofenkörpers 10 verbunden;
und sein anderes Ende ist frei eingestellt. Die
Katalysatorrohre 18 sind an ihren freien Enden jeweils U-förmig
gebogen und horizontal in gleichen Abständen derart
angeordnet, daß sich ihre Höhen wahlweise in vier Stufen in
Auf- und Abwärtsrichtung unterscheiden. Zu beachten ist,
daß das Bezugszeichen 10a ein adiabatisches Material
darstellt, welches auf die Innenwandfläche des Ofens
aufgebracht ist. Mit den Endflächen der Katalysatorrohre 18,
die auf die Außenseite der Ofenwand vorstehen, sind
Flansche 18a fest verbunden. An den Flanschen 18a ist ein
übereinstimmender Flansch 18b befestigt, der mit einem
vorspringenden Haltezylinder 18c verbunden ist, welcher
seinerseits ein adiabatisches Material 18d aufnimmt und in
den Endabschnitt des Katalysatorrohres 18 eingeführt ist,
um die Katalysatoren bei maximaler Dichte zu halten, und
zwar unter Benutzung nicht dargestellter Schrauben und
Muttern und in einem Zustand, in dem eine Dichtung
zwischen die Flansche 18a und 18b eingesetzt ist (s. Figur
12). Die Katalysatoren 60 oder ein schraubenförmiges Band
70 können durch Demontage des übereinstimmenden Flansches
18b ersetzt werden. Am Kesselofenkörper 10, sind, wie in
Figur 11 dargestellt, ein oberes Rohr 91 von grobem
Durchmesser und ein unteres Rohr 92 von großem Durchmesser in
oberen und unteren Schrägpositionen des Katalysatorrohres
18 abgestützt, so daß sie vom Ofenkörper 10 abstehen. Die
mit Bezug auf den Ofenkörper 10 oberen und unteren
Vorsprünge des Katalysatorrohres 18 sind über Rohre 91a und
92a von jeweils kleinem Durchmesser mit den oberen und
unteren, einen groben Durchmesser besitzenden Rohren 91 und
92 so verbunden, dar eine thermische Expansion vermieden
ist. Der Kohlenwasserstoffbrennstoff, beispielsweise
Stadtgas, und der Wasserdampf, die auf etwa 550ºC
aufgeheizt sind, werden von dem unteren Rohr 92 mit gropem
Durchmesser her über das Rohr 92a mit kleinem Durchmesser
in das Katalysatorrohr 18 eingeführt. Anschließend werden
über das obere, einen kleinen Durchmesser besitzende Rohr
91a des Katalysatorrohres 18 in das obere, einen groben
Durchmesser besitzende Rohr 91 Wasserstoffgas und
Kohlenmonoxydgas eingeführt, deren Temperaturen dann, wenn sie
die äußere Aufheizung aus der Wirbelschicht erfahren, im
Katalysatorrohr 18 etwa 700ºC erreicht haben.
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Es ist aus Figur 12 und 13 erkennbar, daß das
Katalysatorrohr 18 ein relativ dünnes schraubenförmiges Band 70
einschließt, das aus rostfreiem Stahl gefertigt ist und sich
über die gesamte Länge des Rohres 18 entlang der
Rohrinnenwandfläche erstreckt. Die Vielfalt der Katalysatoren,
beispielsweise Vanadium oder Nickel, mit einer
Feststoffabmessung von etwa 20φ x 20H werden mit höchster Dichte in
den Abschnitt des Katalysatorrohres 18 eingebracht, der in
der Wirbelschichtkammer 17 positioniert ist. In den
Abschnitt des Katalysatorrohres 18, der von der
Wirbelschichtkammer 17 auf die Außenseite des Ofens vorsteht,
werden Füllermaterialien 80 eingegeben, die aus
Bruchstücken von rostfreiem Stahl bestehen, welche solche
Eigenschaften haben, daß selbst das Einfüllen einer guten
Anzahl von Bruchstücken einen beträchtlichen Prozentsatz
von Leerstellen aufrechterhält, die gegenüber einem
Gasdurchtritt einen kleinen Widerstand haben. Die Katalysator
ren 60, die in das Katalysatorrohr 18 eingegeben sind,
können in Kombination mit den Füllmaterialien 80 durch die
Haltewirkung des Haltezylinders 18c des übereinstimmenden
Flansches 18b in einem Zustand maximaler Dichte gehalten
werden. Übrigens können im Falle der Befüllung des
Katalysatorrohres 18 mit den Katalysatoren 60 die Katalysatoren
zusammen mit dem schraubenförmigen Band 70 eingebracht
werden, wobei immer noch die maximale Dichtheit erreicht
wird.
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In dem so aufgebauten Wirbelschichtreformierofen werden
die Luft und der Gasbrennstoff, beispielsweise Stadtgas,
welche mit Hilfe des Vorerhitzers 69 vorgeheizt sind, dem
Gasbrenner 16 zugeleitet. Anschließend wird der
Gasbrennstoff in der Verbrennungskammer 14 verbrannt, und das sich
ergebende verbrannte Gas wird aus den Gasdüsen 40 in die
Wirbelschichtkammer 17 eingelassen. Im gleichen Augenblick
wird ein Teil des gasförmigen Brennstoffes über die
Brennstoffeinlaßöffnungen 41a in die
Gasbrennstoff-Zuführdurchlässe 41 eingespeist, die in der Gasdispersionsplatte 12
ausgebildet sind, und wird weiterhin aus den
Einführlöchern 40a der Gasdüsen 40 in das Innere der
Wirbelschichtkammer 17 geleitet. Nachdem die verbrannten Gase in die
Wirbelschichtkammer 17 eingeleitet sind, wird das die
Wirbelschichtkammer füllende, fluidisierbare Medium
fluidisiert und aufgeheizt, so daß sich das Wirbelschichtbett F
bildet. Gleichzeitig wird der gasförmige Brennstoff
innerhalb der Wirbelschicht F ausgebreitet und in ihr
verbrannt, so dar die Wirbelschicht gleichförmiger beheizt
wird. Die Katalysatorrohre 18 erfahren so eine
gleichförmige Aufheizung.
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In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform werden
jedoch dann, wenn eine Höhe des Wirbelschichtbetts F
entsprechend Fluktuationen in der Belastung des
Reformierofens variiert, folgende Größen eingestellt: eine
Einstellhöhe der Katalysatorrohre 18, ein vertikaler Abstand
zwischen den Katalysatorrohren 18 und eine Menge des
eingegebenen Wirbelschichtmediums, und zwar entsprechend der
Anzahl der in das Wirbelschichtbett F eingebetteten
Katalysatorrohre 18. Wenn beispielsweise die Belastung des
Reformierofens den Maximalwert erreicht, kommen
dementsprechend auch die Mengen der Gasbrennstoffe, welche sowohl
dem Gasbrenner 16 als auch den Gasdüsen 40 zugeführt
werden, und auch die Menge der dort zugeführten Luft auf ihre
Maximalwerte. Es folgt hieraus, dar die Höhe des
Wirbelschichtbetts F bis zu einem in Figur 10 dargestellten
Niveau A ansteigt, die ausreicht, um alle Katalysatorrohre
18 in der Wirbelschicht F einzubetten. Bei einer
Zwischenbelastung werden die Mengen an zugeführten Gasen und der
Luft proportional reduziert, und die Höhe des
Wirbelschichtbetts F sinkt auf ein in Figur 10 dargestelltes
Niveau B oder C. Katalysatorrohre 18 der obersten Stufe oder
der beiden oberen Stufen liegen gegenüber dem
Wirbelschichtbett F frei. Darüber hinaus werden unter der
letzten Belastung die Mengen an den zugeführten
Gasbrennstoffen und der Luft auf Minimalwerte herunterreduziert, und
es ergibt sich, dar die Höhe des Wirbelschichtbetts F bis
zu einem in Figur 10 dargestellten Niveau D abfällt.
Infolgedessen liegen die Katalysatorrohre 18 der obersten
Stufe oder der beiden mittleren Stufen gegenüber dem
Wirbelschichtbett F frei, während lediglich die
Katalysatorrohre 18 der untersten Stufe noch eingebettet sind.
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Wenn, wie oben erläutert, die Höhe der Wirbelschicht in
Übereinstimmung mit Fluktuationen in der Belastung des
Reformierofens variiert, nimmt die Anzahl der
Katalysatorrohre 18, die in die Wirbelschicht eingebettet sind, zu
oder ab, wodurch der Flächenbereich der Wärmeübertragung
vergrößert oder vermindert wird. Dementsprechend ändert
sich eine Gesamtmenge an Wärme, die von dem
Wirbelschichtbett F auf die Katalysatorrohre 18 übertragen wird,
entsprechend den Belastungsfluktuationen, wodurch eine
Fluktuationsbreite in der Temperatur des Wirbelschichtbettes F
minimal gehalten wird. Selbst in einem konventionellen
Fall, in dem die Belastung des Reformierofens abnimmt,
wird ein guter Teil des Wärmeaustausches vollzogen, so dar
kein scharfer Temperaturabfall der Wirbelschicht eintritt.
Selbst unter der niedrigen Belastung ist es machbar,
stabile Betriebsweisen des Reformierofens auszuführen. Es ist
möglich, den Belastungsvariationen einschließlich der
niedrigen Belastung zu folgen, und zwar gleichzeitig
rasch. Die Temperatur des Wirbelschichtbettes F wird im
Bereich von 800 bis 900ºC konstant gehalten.
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Andererseits treten der Wasserdampf und der erwärmte
Kohlenwasserstoffbrennstoff, beispielsweise Stadtgas,
Naturgas oder Leuchtöl (die Beschreibung bezieht sich bei
dieser Ausführungsform auf Stadtgas) in die unteren
Katalysatorrohre 18 ein, nachdem sie von dem unteren, einen groben
Durchmesser besitzenden Rohr 92 zu dem einen kleinen
Durchmesser besitzenden Rohr 92a geflossen sind. Der Dampf
und der Brennstoff fliegen sanft durch die Füllmaterialien
80 und kehren an den U-förmig gekrümmten Abschnitt zurück,
nachdem sie eine Schicht von Katalysatoren 60 durchdrungen
haben. Dann fliegen der Brennstoff und der Dampf durch die
oberen Katalysatorrohre 18. Mittlerweile wird die
teilweise Zersetzung durch gleichmäßige Absorption der Wärme aus
dem Wirbelschichtbett F ausgeführt, und zwar mit den an
der Außenseite befindlichen Katalysatoren aufgrund der
Außenseite-Katalyse mit dem Wirbelschichtbett F, wobei die
Katalysatoren, wie früher erläutert, als Ganzes
gleichförmig aufgeheizt sind. Der Brennstoff wird zu Wasserstoff
und einem Gas mit einer hohen Konzentration an
Kohlenmonoxyd reformiert und anschliepend von dem oberen, einen
groben Durchmesser besitzenden Rohr 91 über das obere,
einen kleinen Durchmesser besitzenden Rohr 91a abgegeben.
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Ein guter Teil des Wasserstoffgases wird der
Brennstoffzelle zugeleitet. Während des Reformierprozesses werden
entlang der schraubenförmigen Bänder 70 in den
Katalysatorrohren 18 wirbelnde, spiralige oder schraubenförmige
Strömungen der Stadtgase, des Wasserdampfes oder der
reformierten Gase verursacht, wobei diese Gase
Rohmaterialien innerhalb der Katalysatoren 60 sind, die mit maximaler
Dichte eingegeben sind. Die Gase und der Dampf fliegen
innerhalb der Katalysatoren 60 gleichförmig, so daß der
Reformierprozeß mit einem bemerkenswert hohen Wirkungsgrad
stattfindet. Selbst wenn in den oberen Teilen der
Katalysatorrohre 18 Lücken gebildet werden, ist es wegen der
spiraligen Strömung der Gase machbar, ein solches Phänomen
in dem höchstmöglichen Male zu vermeiden, daß die Gase
nicht durch die Schichten der unteren Katalysatoren 60,
sondern durch die oberen Lücken allein fliegen. Daher
können Teilbeschädigungen der Katalysatoren 18 aufgrund der
abnormal hohen Temperaturen vermieden werden, und
gleichzeitig kann die Zerstörung bis zum äußersten unterdrückt
werden, die der lokalen Erhitzung durch Katalysatoren 60
zuzuschreiben ist, so daß der Reformierofen stabil
betrieben werden kann. Jedes der Katalysatorrohre 18 nimmt die
U-Form an und zeigt somit eine hohe Beweglichkeit mit
Bezug auf die thermische Expansion, wobei selbst dann, wenn
die einen Enden der Katalysatorrohre 18 an der Ofenwand
fixiert sind, deren Deformation zulässig ist, wodurch
Schaden verhindert ist.
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Die Katalysatorrohre 18 sind horizontal angeordnet, um die
stationäre Höhe des Wirbelschichtbettes F beträchtlich
abzusenken. Daher kann die Verringerung des Leistungsverlu
stes wie auch des Druckverlustes bei der Fluidisierung
erreicht werden. Daneben nimmt die Höhe, bis zu welcher das
Wirbelschichtmedium gestreut wird, ab, und die Höhe des
Freiwandraumes 17a wird hierdurch reduziert.
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Das verbrannte Gas, welches das Wirbelschichtbett F
durchläuft, flieht weiterhin durch den Freiwandraum 17a. Im
Anschlup hieran wird das Gas dem Vorerhitzer 69 zugeführt,
an welcher Stelle eine merkliche Wärme dem Gasbrennstoff
und der Verbrennungsluft mitgeteilt wird, und zwar als
Vorbereitung für den thermischen Austausch zur
Vorerhitzung. Nach diesem Prozeß wird das Gas aus dem Auslaß 30
zur Außenseite des Ofens hin abgegeben.
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Es ist offensichtlich, dar die Konfiguration der
Katalysatorrohre 18 nicht auf die U-Form beschränkt ist, bei der
das einzelne Rohr an seinem freien Ende gekrümmt ist,
sondern es können auch einfache Katalysatorrohre 18 vertikal
mehrstufig angeordnet werden.
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Bei dieser Ausführungsform sind die Katalysatorrohre 18 in
vier Stufen in Auf- und Abwärtsrichtung angeordnet. Gemäß
der vorliegenden Erfindung können die Katalysatorrohre
jedoch auch in zwei, drei oder mehr Stufen angeordnet werden.
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Wenn das schraubenförmige Band 70 mit einem keramischen
Material beschichtet ist, um einen
Strahlungswärme-Übertragungseffekt zu zeigen, der mit Strahlen des fernen
Infrarotgebietes verbunden ist, so ist dieser Effekt mit der
Wirkung der Erzeugung der schraubenförmigen Strömung
kombiniert, um so den Wärmeübergangskoeffizienten der
eingegebenen
Schicht weiterhin zu verbessern. Dies macht
wiederum die äußere Fläche der Katalysatorrohre 18 noch
kleiner als zuvor.
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In der oben gegebenen Beschreibung ist die unter der
Dispersionsplatte 12 angeordnete Kammer mit dem Brenner 16
ausgerüstet. Anstelle des Brenners kann jedoch auch eine
Luftzuführeinheit in der Kammer vorgesehen werden. In
diesem Falle können alle der Wirbelschicht zugeführten
Brennstoffe von einer Einführöffnung 41 her eingeführt werden.
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Die vorliegende Erfindung kann in erster Linie eine
Wirbelschichtverbrennungsvorrichtung zur Absorption der Wärme
vermitteln, die durch Verbrennung eines Brennstoffes in
der Wirbelschicht eines Wirbelschicht-Reformierofens
erzeugt wird; zweitens kann eine
Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung vermittelt werden, die befähigt ist, in
wirksamer Weise eine potentielle Wärmemenge eines
Verbrennungsgases zurückzugewinnen, welches aus dem
Wirbelschichtbett der Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung
weggeführt wird; drittens kann die Erfindung eine
Wirbel-Schicht-Verbrennungsvorrichtung vermitteln, die in der
Lage ist, stabile Betriebsweisen auszuführen, und zwar unter
Verhütung sowohl eines Austrittes des Wirbelschichtmediums
durch Streuung auf die Außenseite der Vorrichtung als auch
Belastung eines die Abgabe verhütenden Gliedes; und
viertens kann die Erfindung einen Wirbelschicht-Reformierofen
vermitteln, der ein Gas aufnehmen kann, dessen
Hauptkomponente Wasserstoff ist, und zwar ausgehend von dem
Wasserdampf und Kohlenwasserstoffgas, beispielsweise Stadtgas,
wobei das Gas auch beispielsweise einer Brennzelle
zugeführt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung kann eine Wirbelschicht-Verbren
nungsvorrichtung vermitteln, die zur Steigerung eines
thermischen Wirkungsgrades durch Reduzierung einer Menge
an Verlustwärme befähigt ist, wobei das Zerstreuen von
Wirbelschichtmedium und ein Absetzen desselben verhindert
ist, und wobei ferner durch Verhinderung dieses Absetzens
sanfte Betriebsweisen ausgeführt werden können.
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Die vorliegende Erfindung kann auch einen
Wirbelschicht-Reformierofen vermitteln, der derartige Vorteile zeigt,
dar eine Höhe eines Wirbelschichtbettes reduziert werden
kann Druck- und Leistungsverluste verringert werden
können, eine Höhe eines Ofenkörpers nicht größer als
erforderlich ist, Temperaturvariationen der Wirbelschicht mit
Bezug auf Fluktuationen in der Belastung eines
Reformierofens reformiert werden und weiterhin ein vorbestimmter
Reformierprozeß entsprechend der Belastung bewirkt werden
kann.