DE69100318T2

DE69100318T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung einer Reaktion zwischen einem Gas undeinem verteilten festen Stoff in einem Raum.

Info

Publication number: DE69100318T2
Application number: DE91401041T
Authority: DE
Inventors: Jean-Xavier Morin; Philippe Payen; Jean-Claude Semedard; Jean Vidal
Original assignee: Stein Industrie SA
Current assignee: Stein Industrie SA
Priority date: 1990-04-20
Filing date: 1991-04-18
Publication date: 1993-12-09
Anticipated expiration: 2011-04-19
Also published as: YU47810B; SK112291A3; YU72491A; KR0129711B1; CN1035158C; EP0453373B1; JPH05501080A; WO1991016130A1; PL167240B1; ES2044694T3; HU914011D0; HU212995B; DE69100318D1; ZA912947B; CZ285304B6; RO108422B1; JP2693864B2; BR9105719A; DK0453373T3; AU7795991A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung einer exothermischen oder endothermischen Reaktion in einem Behälter (nachfolgend Reaktor genannt) zwischen mindestens einem Gas und mindestens einem fein gekörnten Feststoffmaterial, mit mindestens einem Mittel zum Einführen des fein gekörnten Feststoffmaterials und mindestens einem Mittel zum Einführen von Verwirbelungs- und Reaktionsgas, wobei die eingeführten Mengen an fein gekörntem Feststoffmaterial und Verwirbelungsgas so gewählt sind, daß sich eine rasche aufsteigende Bewegung des Gases und des fein gekörnten Feststoffmaterials in den Wirbelschichtzonen mit raschem Umlauf ergibt, mit Mitteln, um die Reaktionsgasmischung und das fein gekörnte Feststoffmaterial, das von oben in den Reaktor gelangt, in ein Trennorgan zu senden, mit Mitteln, um das durch die Reaktion gebildete Gas abzuführen und mit Mitteln, um das fein gekörnte Feststoffmaterial aus dem Trennorgan in den unteren Bereich des Reaktors zurückzuführen.
Derartige bekannte Techniken zur Durchführung chemischer Reaktionen im Wirbelbett gehören im wesentlichen zwei Gruppen an:
Eine erste Gruppe verwendet ein dichtes Wirbelbett, das durch die Existenz zweier unterschiedlicher Zonen bezüglich der Konzentration an fein gekörntem Feststoff in dem Reaktionsbehälter gekennzeichnet ist, nämlich eine erste Zone mit einem hohen Anteil an fein gekörnten Feststoffn, beispielsweise 1000 kg/m³ für ein Verbrennungswirbelbett, und eine zweite Zone oberhalb der ersten, die von dieser durch eine relativ gut definierte Grenzfläche getrennt ist und in der die Feststoffkonzentration deutlich geringer, geringer als 1 kg/m³ ist. Der Geschwindigkeitsunterschied zwischen den Gasen und den Feststoffpartikeln ist nicht bedeutend. Im Fall von Verbrennungsreaktoren ist der Verbrennungswirkungsgrad nicht sehr hoch, beispielsweise zwischen 85 und 95%, und der Ausstoß an Schwefeloxiden und Stickoxiden ist groß, was die Anwendung dieser Technik auf Anlagen mit geringer Leistung beschränkt.
Im Rahmen dieser ersten Gruppe bekannter Techniken wurde in der Druckschrift GB-A-1 412 033 vorgeschlagen, einen Verbrennungsreaktor mit dichtem Wirbelbett durch eine ringförmige Trennwand, deren Unterkante vom Wirbelbettgitter einen Abstand aufweist, in eine zentrale Verbrennungszone mit dichtem Wirbelbett und eine ringförmige Zone mit dichtem Wirbelbett und absteigender Bewegung der Feststoffpartikel zu unterteilen, und zwar mit dem einzigen Ziel, eine Wärmeaustausch mit einem den Reaktor umgebenden Mantel zu gewährleisten. Ein Teil der Feststoffpartikel aus der zentralen Zone des Wirbelbetts überwindet die ringförmige Trennwand und steigt in der Ringzone mit dichtem Wirbelbett abwärts und kommt dann in die zentrale Verbrennungszone unterhalb der Unterkante der ringförmigen Trennwand zurück. Eine solche Vorrichtung besitzt die oben angegebenen Nachteile der Reaktoren mit dichtem Wirbelbett, insbesondere aufgrund des Vorhandenseins einer Reaktionszone sehr niedriger Feststoffkonzentration oberhalb des dichten Wirbelbetts. Andererseits führt diese Vorrichtung zu einem Umlauf von Feststoffkörpern, die nur aus dem oberen Bereich der dichten Wirbelzone genauso entnommen wurden wie in einem zirkulierenden Wirbelbett der nachfolgend beschriebenen Art.
Eine zweite Gruppe bekannter Techniken verwendet ein sogenanntes zirkulierendes Wirbelbett, wie es in dem Artikel von Reh beschrieben wurde, der in der Zeitschrift Chemical Engineering Progress, Februar 1971 veröffentlicht wurde. Diese Technik wird insbesondere in den französischen Patenten 2 323 101 und 2 353 332 (Metallgesellschaft) verwendet. Sie unterscheidet sich von der ersten Gruppe insbesondere durch den Wegfall der Trennfläche zwischen zwei Zonen und durch das Vorliegen homogener Reaktionstemperaturen im ganzen Reaktor. Die Konzentration an fein gekörnten Feststoffmaterialien verändert sich im wesentlichen kontinuierlich von unten nach oben im ganzen Reaktor, und der Unterschied der Geschwindigkeiten der Gase und der Feststoffpartikel ist sehr viel höher. Für die Verbrennungsreaktoren ist der Verbrennungswirkungsgrad höher und der Ausstoß an Schwefeloxiden und Stickoxiden geringer. Diese Technik kann in Anlagen für große Leistung verwendet werden, besitzt aber noch Nachteile.
Man kann insbesondere diese Nachteile im Fall einer Verbrennungsreaktion feststellen. In diesem Fall kann der Reaktor mit zirkulierendem Wirbelbett folgendermaßen beschrieben werden:
a) Eine obere Zone, die den größten Teil des Volumens einnimmt, mit einer variablen, begrenzten, aber immer noch ausreichenden Feststoffpartikelkonzentration. In dieser oberen Zone erfolgt ein Wärmeaustausch im allgemeinen mit Rohren im freien Raum des Reaktors oder mit Wänden, an denen Rohre verlaufen und in denen ein Reaktorkühlfluid fließt. Die Feststoffkonzentration variiert beispielsweise von unten nach oben in dieser Zone von 50 kg/m³ bis 10 kg/m³, wobei diese Zahlen gelegentlich auch niedriger sein können. Dies entspricht in der Praxis der Realisation eines Wärmetauschers mit Rohren an den Wänden. Die Gasgeschwindigkeit bei Vollast ist im allgemeinen auf Werte begrenzt, die zwischen 4 m/sec und 6 m/sec variieren, um Erosionsgefahren zu vermeiden.
b) Eine untere Zone mit einer wesentlich höheren Feststoffkonzentration, die beispielsweise von unten nach oben von 500 kg/m³ bis 50 kg/m³ variiert, d.h. im Verhältnis 10 : 1. Dieses Verhältnis kann bis 20 : 1 gehen, wenn der Reaktor bei Halblast betrieben wird, also mit einer halb so hohen Geschwindigkeit des Wirbelbettgases. In dieser unteren Zone liegt nämlich die Verbrennungszone. Ein Teil der für die Verbrennung notwendigen Gase, im allgemeinen Primärgas genannt, wird hier durch ein Wirbelbettgitter eingeblasen, das sich an der Basis des Reaktors befindet. Der größere Teil des Rests des Verbrennungsgases, Sekundärgas genannt, wird in verschiedenen Höhen oberhalb dieses Gitters eingespeist, wobei die Verwendung dieser Höhenlagen mit dem Lastzustand des Reaktors variieren kann (bei Teillast werden einige Einspeiseniveaus außer Betrieb gesetzt).
Die Geschwindigkeit der Verbrennungsgase in dieser unteren Zone des Reaktors resultiert aus der Querschnittsvariation und der gestuften Zufuhr von Sekundärgas, wobei die gewünschte Geschwindigkeit praktisch dieselbe sein sollte wie in der oberen Zone. Dies ist der Grund für eine große Variation der Konzentrationen in der Verbrennungszone, die mehrere Nachteile mit sich bringt:
- Eine unvollständige Verbrennung: Der Gehalt an unverbrannten Stoffen und an Kohlenmonoxid am Ausgang des Reaktors kann für einige schwer zu verbrennende Brennstoffe hoch sein,
- der Entschwefelungswirkungsgrad kann unzureichend sein, woraus sich die Notwendigkeit ergibt, große Mengen eines Entschwefelungsmittels einzuspeisen,
- es ist nicht sehr einfach, Laständerungen des Reaktors zu berücksichtigen, da eine Mindestgeschwindigkeit der Gase für ein ausreichend funktionierendes Wirbelbett verbleiben muß, die in der Größenordnung von 3 m/s liegt.
Um die Temperatur und die Verbrennung gleichmäßiger zu machen, ist man oft gezwungen, die Menge an Feststoffmaterial im Reaktor zu erhöhen, was zu einer Vergrößerung des Energieverbrauchs für das Wirbelschichtbett führt.
Um diese Nachteile zu bekämpfen, verwendet man oft eine Sekundärgaseinspeisung in verschiedenen Höhenlagen und läßt das Verhältnis der Durchsätze an Primärgas und Sekundärgas abhängig von der Reaktorlast variieren. Aber man kann diese Faktoren nur in einem begrenzten Maß beeinflussen, da andere Kriterien, die eine Rolle spielen, diese Variation ausschließen:
- die Qualität der Verbrennung, die einen Primärgasdurchsatz oberhalb eines Mindestwerts erfordert,
- der Zwang, eine reduzierende Atmosphäre im unteren Teil der unteren Reaktorzone aufrechtzuerhalten, um die Erzeugung von Stickoxiden möglichst zu reduzieren,
- die Notwendigkeit, den für die Verbrennung erforderlichen Gasüberschuß zu vergrößern, wenn die Reaktorlast abnimmt, um zu vermeiden, daß die Konzentration an Feststoffmaterialien allzu inhomogen wird, und zugleich soweit wie möglich die Produktion von Stickoxiden zu begrenzen sowie den thermischen Wirkungsgrad der Anlage möglichst wenig zu beeinträchtigen.
Die große Variation der Konzentrationen in der unteren Zone, die die Verbrennungszone bildet, stört also, und man möchte eine größere Homogenität der Konzentration zwischen den verschiedenen Höhenlagen erreichen, wodurch nicht nur der Verbrennungswirkungsgrad verbessert, sondern auch die für das Wirbelschichtbett notwendige Energie verringert wird.
Nun kann aber das zirkulierende Wirbelbett diese Forderungen aufgrund zweier besonderer Probleme nicht erfüllen:
a) Die Geschwindigkeit des Wirbelbettgases in der Verbrennungszone ist mit derjenigen verknüpft, die in der oberen Zone gewählt wurde, in der der Wärmeaustausch erfolgt,
b) die Feststoffpartikel bewegen sich nach unten und nach oben, wie in Figur 1 schematisch angedeutet ist, und ein Großteil der Feststoffpartikel kleiner Abmessungen gelangt nie in die Nähe des Wirbelbettgitters, was zu einer granulometrischen Schichtbildung über die Höhe des Reaktors führt und letzteren in der unteren Zone mit größeren Partikeln arbeiten läßt. So ergibt sich beispielsweise im ersten Höhenmeter ünmittelbar über dem Wirbelbettgitter eine Konzentration nahe der eines dichten Wirbelbetts, was viel Energie erfordert und für eine gute Verbrennung nicht notwendig ist.
Im Rahmen derselben Technik haben andere Patente einige Änderungen in der Betriebsweise eines zirkulierenden Wirbelschichtbetts gebracht:
Das US Patent 4 594 967 und das Patent EP 0 332 360 zeigen eine Einrichtung mit einem dichten Wirbelschichtbett und mit einem Einfangen der Materialien am Ausgana des zirkulierenden Wirbelschichtbetts, wobei die so aufgefangenen Materialien diejenigen verringern, die im klassischen Zyklon aufgefangen werden, der sich hinter der eine Entkopplungszone bildenden Expansionskammer aufgefangen werden, die sich oberhalb des dichten Wirbelschichtbetts befindet.
In diesen Patenten
- liegt das dichte Wirbelschichtbett am Ausgang des zirkulierenden Wirbelschichtbetts entweder auf dessen Seite (europäisches Patent 0 332 360 für einen Reaktor mit Rechteckquerschnitt und US Patent 4 594 967) oder unmittelbar über diesem (europäisches Patent 0 332 360 für einen Reaktor mit Kreisquerschnitt);
- liegt der Zyklon entweder hinter der Expansionskammer (europäisches Patent 0 332 360) oder hinter einem verrohrten Bereich, der Wärmetauscher zur Absenkung der Gastemperatur besitzt (US-Patent 4 594 967) und deshalb nicht zum zirkulierenden Wirbelschichtbett gehört, das Gegenstand des Patents ist. In all diesen Fällen gehen die durch das dichte Wirbelschichtbett entnommenen Materialien den aus dem Zyklon gewonnenen Materialien ab und verändern nicht die maximale Menge von im zirkulierenden Wirbelschichtbett umlaufenden Materialien.
In diesen beiden Patenten zeigt die Expansionskammer, die hinter der Zone liegt, in der das dichte Wirbelschichtbett installiert ist, nicht die wesentlichen Merkmale eines zirkulierenden Wirbelschichtbetts (homogene Temperatur, Geschwindigkeit der aufsteigenden Gase, Feststoffkonzentration), die es erlauben würden, diese Zone zum Transfer von Wärme aus der Gas-Feststoffmischung an die Wände zu verwenden und zugleich eine gleichmäßige Temperatur und eine für die Fortsetzung der chemischen Reaktionen günstige Umwälzung der Gas-Feststoffmischung beizubehalten.
Ein anderes Patent, US 4 788 919, sieht eine Aufteilung des Reaktors in drei, zwei oder eine einzige Kammer vor, wobei die Grenze zwischen je zwei Kammern mit einer Expansionskammer realisiert ist, in der der Querschnitt wie erwähnt viermal größer als im Reaktor sein kann und in der die Gasgeschwindigkeit nicht mehr der des Reaktors mit zirkulierendem Wirbelschichtbett gleicht. Diese Geschwindigkeitsverringerung führt zu einer Abscheidung von Materialien in dichten Wirbelschichtbetten, die die Materialkonzentration in der oder den beiden anderen oberen Kammern deutlich verringert, so daß der Betrieb eines zirkulierenden Wirbelschichtbetts nur in der unteren Kammer existiert, während die beiden anderen Kammern mit ihren Erweiterungen nur geringe ergänzende Materialmengen einfangen und deren ergänzende Kühlung gewährleisten, was den Verfasser der Patentschrift dazu gebracht hat, die Konzeption mit einer einzigen Kammer zu bevorzugen, so daß das Patent zu einer Anordnung ähnlich der der Patente US 4 594 967 und EP 0 332 360 wird, d.h. zu einer Anlage mit einem dichten Wirbelbett am Ausgang eines Reaktors mit zirkulierendem Wirbelschichtbett. In jedem Fall wird bei einer Konzeption mit mehreren Kammern die gleiche Gasgeschwindigkeit in allen Kammern aufrechterhalten.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß diese Patente Verbesserungen der bekannten Technik mit zirkulierendem Wirbelschichtbett zeigen, deren Nachteile oben dargelegt wurden. Bezüglich dieser Technik sind sie durch eine Verringerung der von den Zyklonen oder Separatoren abgeschiedenen Feststoffmaterialien gekennzeichnet, aber sie verändern nicht das Konzentrations- und Druckprofil, das für die bekannte Technik charakteristisch ist, die zirkulierendes Wirbelschichtbett genannt wird.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung einer Reaktion in einem Behälter zwischen einem Gas und einem fein gekörnten Feststoffmaterial anzugeben, die eine neue Wirbelschichtbettstruktur mit einer größeren Homogenität der Feststoffpartikelkonzentrationen im unteren Teil in Verbindung mit einer mäßigen Feststoffpartikelkonzentration in dieser Zone, die ggf. eine Verbrennungszone bildet, und mit einer relativ großen Gasgeschwindigkeit für die Verwirbelung in dieser unteren Zone bietet.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind in den Ansprüchen 1 und 2 definiert.
In einer solchen Vorrichtung ist das Druckprofil entlang der Höhe der Zonen mit zirkulierendem Wirbelschichtbett (obere Zone und untere Zone) so gewählt, wie das Schema in Figur 7 zeigt. Die Feststoffkonzentration, die sich aus der fallenden Kurve in jedem Punkt des Profils ergibt, besitzt eine Diskontinuität zu beiden Seiten des Überlaufs des dichten Wirbelschichtbetts, die für die Vorrichtung charakteristisch ist.
Aufgrund einer solchen Struktur ergibt sich:
- eine gleichmäßigere Temperaturverteilung im Reaktor mit einer Verringerung der Gefahren der Ansammlung von Feststoffpartikeln,
- im Fall von Verbrennungsreaktoren eine Verbesserung der Verbrennung aufgrund der Verringerung der Bildung von Kohlenmonoxiden und unverbrannten Feststoffpartikeln, insbesondere für schwer zu verbrennende Brennstoffe, beispielsweise Magerkohle oder Anthrazitkohle,
- eine verbesserte Regelbarkeit des Reaktors durch Absenkung der zulässigen Mindestlast, wobei dies durch ein hohes Verhältnis zwischen der Gasgeschwindigkeit bei Vollast in der unteren Zone und der Mindestgeschwindigkeit möglich wird, die zur Aufrechterhaltung eines zufriedenstellenden Wirbelschichtbetts notwendig ist.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf die Anwendung der oben definierten Vorrichtung auf die Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Materialien.
Nachfolgend werden beispielshalber und unter Bezugnahme auf die beiliegenden schematischen Zeichnungen.Vorrichtungen zur Verbrennung von Kohlenstaub gemäß der Erfindung beschrieben.
Figur 1 zeigt ein Schema der Strömungen von fein gekörnten Feststoffmaterialien in einem Reaktor mit einem bekannten zirkulierenden Wirbelschichtbett.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit zirkulierenden Wirbelschichtbetten und einem dazwischenliegenden dichten Wirbelschichtbett.
Die Figuren 3A und 3B zeigen in zwei senkrechten und orthogonalen Schnitten die untere Zone eines Reaktors mit zwei seitlichen dichten Wirbelschichtbetten, wobei die Figur 3B einen Schnitt entlang der Achse IIIB-IIIB in Figur 3A zeigt.
Die Figuren 4A und 4B zeigen in zwei senkrechten Orthogonalschnitten die untere Zone eines Reaktors mit drei dichten Wirbelschichtbetten, wobei Figur 4B einen Schnitt entlang der Linie IVB-IVB in Figur 4A darstellt.
Die Figuren 5A und 5B zeigen zwei senkrechte Orthogonalschnitte der unteren Zone eines Reaktors mit vier dichten Wirbelschichtbetten, wobei Figur 5B einen Schnitt entlang der Linie VB-VB in Figur 5A darstellt.
Die Figuren 6A, 6B und 6C zeigen die Anordnung der Wärmetauscheroberflächen in den beiden dichten Wirbelschichtbetten eines Reaktors, wobei die Figuren 6B und 6C zwei Varianten eines Schnitts entlang der Linie VIB-VIB in Figur 6A bilden.
Figur 7 zeigt das Profil der Drücke in der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In Figur 1, die einem klassischen Betrieb eines Wirbelschichtbetts entspricht, enthält der Reaktor 1 eine untere Zone 2 mit zunehmendem Querschnitt und eine obere parallelepipedische Zone 3. Die Feststoffpartikel heben vom Wirbelschichtgitter 4 in Richtung der Pfeile 5 nach oben ab. Diese Partikel haben die Tendenz, in Richtung auf die Wände auszuweichen und nach unten zu fallen. Ein Teil der kleineren Partikel wird erneut nach oben gemäß den Wirbelbewegungen mitgerissen, die durch die Pfeile mit dem Bezugszeichen 6 angedeutet sind. Die anderen Partikel nähern sich der Wand und sinken entlang der Wand nach unten (Pfeile 7).
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 2 ist ein schnell zirkulierendes Wirbelschichtbett oberhalb des Wirbelschichtgitters 4 in der unteren Zone mit zunehmendem Querschnitt 2 gebildet. Ein Primärwirbelschichtgas wird von einer Leitung 8 durch dieses Gitter eingespeist und von Luft, ggf. ergänzt durch Verbrennungsgase oder Sauerstoff, gebildet. Pulverförmiger Brennstoff, beispielsweise Kohle in Luft suspendiert, wird im übrigen knapp über diesem Gitter eingespeist. Ein Sekundärgas, das ebenfalls von Luft und ggf. Verbrennungsgasen oder Sauerstoff gebildet wird, wird in die untere Zone des Reaktors in drei aufeinanderfolgenden Höhenlagen 10, 11, 12 eingespeist. Die Geschwindigkeit des Wirbelschichtgases zwischen Leerlauf und Vollast kann zwischen 4,8 m/s und etwa 12 m/s variieren, und die Aufenthaltszeit der Gase bei Vollast kann zwischen 0,25 und 4 Sekunden variieren.
Die Sekundärgaseinspeisungen werden so gelenkt, daß die Atmosphäre im unteren Teil der unteren Zone 2 reduzierend ist.
Oberhalb dieser unteren Zone entwickelt sich ein zweites Wirbelschichtbett mit raschem Umlauf, wobei die Geschwindigkeit der Wirbelschichtgase von Leerlauf bis zu Vollast zwischen 4 und 10 m/s und die Aufenthaltszeit zwischen 2 und 10 Sekunden variieren können.
In bekannter Weise gelangen die mit Feststoffpartikeln belasteten und im oberen Teil des Reaktors freigesetztem Rauchgase in einen Trennzyklon 1A, von wo die von Staub befreiten Rauchgase durch die Leitung 1B abgeführt werden, während die abgetrennten Feststoffpartikel in den unteren Bereich des Reaktors über die Leitung 1C zurückgeführt werden.
Weiter wurde am Ausgang der Verbrennungszone mit einem endseitigen Querschnitt S1 ein dichtes Wirbelschichtbett 13 ausgebildet, das durch Schraffuren angedeutet ist und von der Verbrennungszone durch eine Trennwand 13A abgetrennt ist.
Dieses Wirbelschichtbett befindet sich oberhalb eines Wirbelbettgitters 14, durch das ein Hilfswirbelschichtgas über die Leitung 15 eingespeist wird. Die Geschwindigkeit dieses Gases von Leerlauf bis zu Vollast im dichten Wirbelschichtbett kann zwischen 0,3 m/s und 2,5 m/s variieren. Meistens ist die mögliche Restverbrennung in diesem dichten Wirbelschichtbett schwach, da es am Ausgang der Verbrennungszone des in raschem Umlauf befindlichen Bettes liegt und da der Restgehalt an Kohlenstoffpartikeln bereits sehr gering ist. Wenn die Verbrennung in diesem dichten Wirbelschichtbett deutlich zunehmen würde aufgrund beispielsweise einer minderwertigen Brennstoffqualität, könnte man entweder Verbrennungsabgase in die Einspritzdüsen unter dem Gitter dieses Wirbelschichtbetts einspeisen, um den Sauerstoffanteil in diesem Wirbelschichtbett möglichst klein zu halten, oder dagegen den Sauerstoffanteil in dieser Zone erhöhen, um hier die Verbrennung zu intensivieren, was rohrförmige Wärmetauscher in diesem Bett erforderlich machen kann.
Gemäß der Erfindung hat ein solches dichtes Wirbelschichtbett vorzugsweise eine verhältnismäßig geringe Höhe, im allgemeinen unter 1,5 Meter. Diese Höhe kann aber auf 3 bis 4 Meter etwa erhöht werden, wenn man hier einen Wärmetauscher installieren will.
Eine der wesentlichen Funktionen dieses dichten Wirbelschichtbetts ist es, einen Teil der Feststoffpartikel zu erfassen, die aus der Wärmeaustauschzone oberhalb des dichten Wirbelschichtbetts herabsinken (Pfeile 7), sowie auch einen Teil der Feststoffpartikel, die aus der unteren Reaktorzone unterhalb der Höhenlage dieses dichten Wirbelschichtbetts aufsteigen (Pfeile 16). Diese Abscheidung der von der unteren Zone kommenden Partikel beruht auf der Verringerung der Gasgeschwindigkeit, sobald das Gas in die obere Zone des Reaktors eintritt. Es ist jedoch zu bemerken, daß nirgends in dem Reaktor außer den dichten Wirbelschichtbetten und im Gegensatz zu den anderen Verfahren die Gasgeschwindigkeit unter den Wert absinkt, der einem Betrieb eines zirkulierenden Wirbelschichtbetts entspricht.
Die von dem dichten Wirbelschichtbett erfaßten Feststoffpartikel werden durch Leitungen 17 bis an die Basis des Reaktors knapp oberhalb des Gitters 4 gebracht. Diese Leitungen können einen Siphon enthalten, der an seiner Basis mit einem Wirbelschichtgas gespeist wird. Auf diese Weise werden zahlreiche Feststoffpartikel kleiner Abmessungen an die Basis des Reaktors gebracht, an die sie in den bekannten Vorrichtungen nie gelangt wären. Die Konzentration an derartigen Feststoffpartikeln in der Brennzone des Reaktors ist also deutlich vergrößert, insbesondere in dem oberen Bereich nahe dem dichten Wirbelschichtbett. Andererseits ist aufgrund der Querschnittsveränderung, die sich aus dem dichten Wirbelschichtbett ergibt, die Gasgeschwindigkeit in der unteren Zone 2 des Reaktors größer als die in der oberen Zone 3 oberhalb des dichten Wirbelschichtbetts.
Man erhält ganz natürlich durch Erhöhung dieser Geschwindigkeit eine gleichmäßigere Konzentrationsverteilung von Feststoffpartikeln in der unteren Zone des Reaktors, was zu einer besseren Verbrennung führt. Der gewünschte Geschwindigkeitswert der Gase in der Brennzone kann durch eine Wahl der Querschnittsflächen S1 und S2 erhalten werden, wobei S1 der Querschnitt der Verbrennungszone in Höhe des dichten Wirbelschichtbetts und S2 der Querschnitt der oberen Reaktorzone ist, so daß dann die Querschnittsfläche des dichten Wirbelschichtbetts gleich S2-S1 ist. Der Durchsatz an Feststoffmaterialien durch die Rückführungsleitungen 17 hängt auch von diesem Verhältnis der Querschnittsflächen ab, da der Durchsatz an Feststoffpartikeln am Ausgang der Brennzone umso größer ist, je größer die Geschwindigkeit in der Brennzone ist. Da die Menge an zur Basis der Zone oberhalb des dichten Wirbelschichtbetts absinkenden Feststoffmaterialien praktisch von der Querschnittsfläche S2 abhängt, ist auch der Durchsatz an vom dichten Wirbelschichtbett erfaßten Feststoffpartikel umso größer.
Die Wahl der Querschnittsfläche des dichten Wirbelschichtbetts 13 (S2-S1) ist also ein wesentliches Element für die Bemessung des Reaktors einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Durch Erhöhung der Geschwindigkeit der Gase und der Konzentration an Feststoffpartikeln in der Verbrennungszone ergibt sich zum großen Teil die gleichmäßigere Verteilung der Konzentrationen in der Verbrennungszone im Vergleich zu den Verteilungen in einem bekannten Wirbelschichtbett.
In der Praxis erhält man vorzügliche Ergebnisse für Kohlenstaubverbrennungsvorrichtungen, indem man dieses Verhältnis der Querschnittsflächen S2/S1 zwischen 1,20 und 2 wählt.
Die Figuren 3A und 3B zeigen den unteren Teil eines Reaktors mit zwei dichten Wirbelschichtbetten 14A und 14B auf einem Zwischenniveau, die über Rückführungsleitungen 17A und 17B an die Basis der Verbrennungszone oberhalb des Wirbelschichtgitters 4 angeschlossen sind. Beispielsweise ist mit 17B eine Leitung zur Rückspeisung von fein gekörnten Feststoffen mit einem Siphon bezeichnet, der an seiner Basis mit einem Wirbelschichtgas gespeist wird. So kann man leicht ein großes Verhältnis S2/S1 erhalten, wobei die Differenz S2-S1 gleich der Summe der Querschnittsflächen der beiden dichten Wirbelschichtbetten ist. Der Reaktor enthält keine dichten Wirbelschichtbetten in der Nähe seiner Seiten 18 und 19 senkrecht zu den ersten Seiten, wie die Schnittzeichnung Figur 3B zeigt, die einen senkrechten Schnitt entlang der Achse IIIB-IIIB in Figur 3A zeigt.
Die Figuren 4A und 4B zeigen den unteren Teil eines Reaktors mit drei dichten Wirbelschichtbetten, nämlich zwei Betten 14A und 14B oberhalb der Wände 20 und 21 in Figur 4A und ein Wirbelschichtbett 14C oberhalb der Wand 22, die senkrecht zu den erstgenannten Wänden in dem Orthogonalschnitt gemäß der Linie IVB-IVB von Figur 4A verläuft.
Die Figuren 5A und 5B zeigen den unteren Teil eines Reaktors mit vier dichten Wirbelschichtbetten, nämlich zwei 14A, 14B unter den Wänden 20 und 21, sowie zwei 14C, 14D unter den senkrechten Wänden 22 und 23.
Figur 6A zeigt schematisch die Wärmetauscherflächen in den dichten Wirbelschichtbetten. Die Wärmetauscherrohre sind durch Schlangen 26 und 27 angedeutet. Sie sind in nahezu der gesamten Höhe der dichten Wirbelschichtbetten angeordnet.
Figur 6B zeigt eine Variante zu den Wärmetauschern in den dichten Wirbelschichtbetten in Figur 6A im Schnitt entlang der Linie VIB-VIB in Figur 6A. Gemäß dieser Variante besetzen die Wärmetauscher den größten Teil der Länge der dichten Wirbelschichtbetten.
Figur 6C zeigt eine zweite Variante der Wärmetauscher in den dichten Wirbelschichtbetten gemäß Figur 6A im Schnitt entlang der Linie VIB-VIB in dieser Figur 6A. Gemäß dieser zweiten Variante sind die beiden dichten Wirbelschichtbetten je in drei Abteile aufgeteilt. Diese äußeren Abteile werden von Wärmetauschern wie z.B. 26, 28 und 27, 29 besetzt, und die zentralen Abteile 30, 31 besitzen keine Wärmetauscherrohre.
Alle Abteile 26, 27, 28, 29, 30, 31 sind über Rückspeisemittel 17 an den unteren Teil des Reaktors angeschlossen, wobei jedes Abteil sein eigenes Rückspeisemittel besitzt. Die Rückspeisemittel der Abschnitte 30 und 31 besitzen keine Durchsatzsteuermittel.
Alle dichten Wirbelschichtbetten wie z.B. die der Figuren 3 bis 5 arbeiten bei Vollast des Reaktors und nehmen an dessen Kühlung teil. Bei gedrosselter Last ist es möglich, die Kühlung durch verschiedene Mittel zu kontrollieren (Unterbrechung oder Modulation der Verwirbelung, Kontrolle des in den unteren Teil der unteren Zone rückgespeisten Feststoffanteils), so daß die optimale Temperatur im Reaktor in der Nähe von 850ºC beibehalten wird, was zum höchsten Entschwefelungswirkungsgrad führt. Wenn nämlich der Lastfaktor abnimmt, dann nimmt die Temperatur im Reaktor wegen der zu großen Kühlflächen ab. Die Modulation oder das Stillsetzen des Wärmeaustauschs in einem Bereich der Abteile der Wirbelschichtbetten erlaubt es, die Kühlung des Reaktors zu verringern und die optimale Verbrennungstemperatur in einem größeren Lastbereich des Reaktors beizubehalten und so den Entschwefelungsgrad auf einem hohen Wert zu halten.
Figur 2 zeigt insbesondere, daß unter der Wirkung zweier Faktoren, nämlich der Rückspeisung von Feststoffmaterial an die Basis des Reaktors und der hohen Geschwindigkeit in der unteren Zone, in der die Verbrennung stattfindet, die erfindungsgemäße Vorrichtung eine in bekannten Reaktoren mit zirkuierendem Wirbelschichtbett nicht existierende Entkopplung zwischen der oberen Zone, deren Wände von Wärmetauscherrohren gebildet werden und wo die Gasgeschwindigkeit für einen möglichst guten Wärmeaustausch ohne Erosion der Wärmetauscherrohre optimiert wird, und der unteren Verbrennungszone gewährleistet, wo eine höhere Gasgeschwindigkeit gewählt wird und wo eine gleichmäßigere Konzentration an Feststoffmaterialien als in den bekannten zirkulierenden Wirbelschichtbetten gegeben ist. Wenn man beispielsweise eine Geschwindigkeit von 6 m/s in der oberen Reaktorzone haben will, dann kann man mit einer Geschwindigkeit zwischen 7,2 m/s und 12 m/s in der unteren Zone arbeiten.
Wenngleich die Vorrichtungen zur Durchführung einer Reaktion zwischen einem Gas und einem fein gekörnten Feststoffmaterial, die anhand der Figuren beschrieben wurden, sich auf Vorrichtungen zur Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Materialien beziehen, mit einer Kühlung des Reaktors über die Wände der oberen Zone, die aus Wärmetauscherrohren bestehen oder mit diesen versehen sind, ist die Erfindung selbstverständlich auch auf andere exothermische Reaktionen und selbst und selbst auf endothermische Reaktionen wie beispielsweise die Kalzinierung von Aluminiumoxid anwendbar, sofern man die Homogenität der Konzentrationen in der unteren Zone eines Reaktors verbessern will und in dieser Zone mit hohen Geschwindigkeiten arbeiten will, die für die obere Zone ungeeignet sind. Im Fall von endothermischen Reaktionen besitzt natürlich die obere Zone keine Wärmetauscherrohre in direktem Kontakt mit den Materialien.

Claims

1. Verfahren zur Durchführung einer exothermischen oder endothermischen Reaktion in einem Reaktor zwischen mindestens einem Gas und mindestens einem fein gekörnten Feststoffmaterial, mit mindestens einem Mittel (9) zum Einführen des fein gekörnten Feststoffmaterials, mindestens einem Mittel (8) zum Einführen von Verwirbelungs- und Reaktionsgas, wobei die eingeführten Mengen an fein gekörntem Feststoffmaterial und Verwirbelungsgas so gewählt sind, daß sich eine rasche aufsteigende Bewegung des Gases und des fein gekörnten Feststoffmaterials im Reaktor ergibt, mit Mitteln, um die Reaktionsgasmischung und das fein gekörnte Feststoffmaterial, das von oben in den Reaktor gelangt, in ein Trennorgan (1A) zu senden, mit Mitteln (1B), um das durch die Reaktion gebildete Gas abzuführen, und mit Mitteln (1C), um das fein gekörnte Feststoffmaterial aus dem Trennorgan in den unteren Bereich des Reaktors zurückzuführen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) in der unteren Zone (I) des Reaktors ein Wirbelschichtbett in raschem Umlauf gebildet wird mit einer mittleren Aufstiegsgeschwindigkeit des Wirbelschichtgases vom Leerlauf bis zur Vollast zwischen 4,8 m/s und 12 m/s, wobei die Höhe dieser Zone so gewählt ist, daß die Verweilzeit dieses Gases in der unteren Zone bei Vollast zwischen 0,25 und 4 Sekunden liegt,

b) in der oberen Zone mit einer Querschnittsfläche S2 ein Wirbelschichtbett mit rascher Zirkulation und einer Anstiegsgeschwindigkeit V des Wirbelschichtgases vom Leerlauf bis zur Vollast zwischen 4 m/s und 10 m/s gebildet wird, wobei das Verhältnis dieser Geschwindigkeit zu der des Wirbelschichtgases in der unteren Zone zwischen 1/2 und 1/1,2 liegt und die Höhe dieser Zone so gewählt ist, daß die Verweilzeit des Wirbelschichtgases in dieser Zone bei Vollast zwischen 2 und 10 Sekunden liegt, wobei die Konzentration P am oberen Ende der oberen Zone des Reaktors mindestens gleich 2 kg/m³ ist,

c) in der dem oberen Bereich der unteren Zone mit dem Wirbelschichtbett in rascher Zirkulation benachbarten Zone, die von diesem Bereich getrennt ist, ein dichtes Wirbelschichtbett (13) gebildet wird, wobei die Anstiegsgeschwindigkeit des Wirbelschichtgases von Leerlauf bis Vollast zwischen 0,3 m/s und 2,5 m/s liegt, wobei diese Zone sowohl fein gekörnte Feststoffmaterialien empfängt, die aus der oberen Zone entlang mindestens einer ihrer Wände herabsinken, als auch Feststoffmaterialien, die vom oberen benachbarten Bereich der unteren Zone kommen,

und daß fein gekörnte Feststoffmaterialien von dieser Zone mit dichtem Wirbelschichtbett nach unten zur unteren Zone mit einem Wirbelschichtbett in rascher Zirkulation zurückgespeist werden, wobei die Menge der von der Zone mit dichtem Wirbelschichtbett zurückgespeisten Feststoffmaterialien größer als q = P.V.S2 ist.

2. Vorrichtung zur Durchführung einer exothermischen oder endothermischen Reaktion in einem Behälter zwischen mindestens einem Gas und mindestens einem fein gekörnten Feststoffmaterial, mit mindestens einem Mittel (9) zum Einführen des fein gekörnten Feststoffmaterials, mindestens einem Mittel (8) zum Einführen von Wirbelschicht- und Reaktionsgas, wobei die eingeführten Mengen an fein gekörntem Feststoffmaterial und Wirbelschichtgas so gewählt sind, daß sich eine rasche aufsteigende Bewegung des Gases und des fein gekörnten Feststoffmaterials im Reaktor ergibt, mit Mitteln, um die Reaktionsgasmischung und das fein gekörnte Feststoffmaterial, das von oben in den Reaktor gelangt, in ein Trennorgan (1A) zu senden, mit Mitteln (1B), um das durch die Reaktion gebildete Gas abzuführen, und mit Mitteln (1C), um das fein gekörnte Feststoffmaterial aus dem Trennorgan in den unteren Bereich des Reaktors zurückzuspeisen, wobei der Reaktor in drei Zonen unterteilt ist, nämlich

a) in eine untere Zone (I) mit einem Wirbelschichtbett in raschem Umlauf, mit einer mittleren Aufstiegsgeschwindigkeit des Wirbelschichtgases von Leerlauf bis zur Vollast zwischen 4,8 m/s und 12 m/s, wobei die Höhe dieser Zone so gewählt ist, daß die Verweilzeit dieses Gases in dieser unteren Zone bei Vollast zwischen 0,25 und 4 Sekunden liegt,

b) in eine obere Zone mit einer Querschnittsfläche S2 mit einem Wirbelschichtbett in raschem Umlauf, mit einer Anstiegsgeschwindigkeit V des Wirbelschichtgases von Leerlauf bis Vollast zwischen 4 m/s und 10 m/s, wobei das Verhältnis dieser Geschwindigkeit zu der des Wirbelschichtgases in der unteren Zone zwischen 1/2 und 1/1,2 liegt und die Höhe dieser Zone so gewählt ist, daß die Verweilzeit des Wirbelschichtgases in dieser Zone bei Vollast zwischen 2 und 10 Sekunden liegt, wobei die Konzentration P am oberen Ende der oberen Zone des Reaktors mindestens gleich 2 kg/m³ ist,

c) eine Zone mit dichtem Wirbelschichtbett (13), in dem die ansteigende Geschwindigkeit des Wirbelschichtgases von Leerlauf bis Vollast zwischen 0,3 m/s und 2,5 m/s liegt, wobei diese Zone neben dem oberen Bereich der unteren Zone mit dem Wirbelschichtbett in rascher Zirkulation liegt und von diesem getrennt ist, sowie so angeordnet ist, daß sie sowohl fein geteilte Feststoffmaterial empfängt, das von der oberen Zone entlang mindestens einer ihrer Wände herabsinkt, als auch Feststoffmaterial, das vom benachbarten oberen Bereich der unteren Zone stammt,

und wobei mindestens ein Mittel (17) zur Wiedereinspeisung von fein gekörntem Feststoffmaterial von der Zone mit dichtem Wirbelschichtbett in den unteren Teil der unteren Zone mit Wirbelschichtbett in raschem Umlauf vorgesehen ist, wobei die Menge des von der Zone mit dichtem Wirbelschichtbett kommenden fein geteilten Feststoffmaterials größer als eine Menge q = P.V.S2 ist, und wobei das Verhältnis (S2/S1) zwischen der Querschnittsfläche in der oberen Zone (3) und der Querschnittsfläche in der unteren Zone (2) in Höhe des dichten Wirbelschichtbetts zwischen 1,20 und 2,0 liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Zonen mit dichten Wirbelschichtbetten (14A, 14B, 14G, 14D) aufweist, die im wesentlichen auf gleichem Niveau liegen und vorzugsweise um einen zentralen Raum herum winkelmäßig verteilt sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie in der oder den Zonen mit dichten Wirbelschichtbetten Wärmeaustauschorgane (26, 27, 28, 29) mit einem verdampfenden und/oder sich erwärmenden Fluid besitzt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Abfuhr eines regelbaren Anteils an fein gekrönten Feststoffmaterialien aus einem oder mehreren Abteilen der Zone oder der Zonen mit dichten Wirbelschichtbetten besitzt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Regelung der Temperatur des Reaktors mit Hilfe einer Steuerung der Verwirbelung mindestens eines Teils mindestens eines dichten Wirbelschichtbetts besitzt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie in der Wand der oberen Zone mit Wirbelschichtbett in raschem Umlauf Mittel zum Austausch von Wärme mit einem verdampfenden oder zu erwärmenden Fluid besitzt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie Düsen zum Einspeisen eines Verwirbelungsgases unter ein Gitter unter der unteren Zone mit Wirbelschichtbett in raschem Umlauf sowie Düsen zum Einspeisen dieses Gases (11, 12, 13) in verschiedenen Höhen dieser unteren Zone besitzt.

9. Anwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8 auf die Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Materialien.