DE69132323T2

DE69132323T2 - Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht

Info

Publication number: DE69132323T2
Application number: DE69132323T
Authority: DE
Inventors: Timo Hyppaenen; Reijo Kuivalainen; Harry Ollila
Original assignee: Foster Wheeler Energia Oy
Current assignee: Amec Foster Wheeler Energia Oy
Priority date: 1990-10-15
Filing date: 1991-10-15
Publication date: 2001-01-25
Anticipated expiration: 2011-10-16
Also published as: CN1113451A; ATE289222T1; EP0481438A3; EP0990467B1; DE69124055T3; EP0685267B1; DE685267T1; DE69133447D1; CN1065151C; RU2116827C1; PL168295B1; EP0481438B2; ATE147286T1; DE69133447T2; CA2053343C; CN1043967C; DE69132323D1; DE69124055D1; EP0990467A1; EP0685267A1

Description

HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen zirkulierenden Wirbelschichtreaktor umfassend einen Fliehkraftabscheider zur Abscheidung von Partikeln aus Gasen. Der Fliehkraftabscheider umfaßt eine Wirbelkammer, versehen mit zumindest einem Einlaß für die zu reinigenden Gase, der in ihrem oberen Abschnitt angeordnet ist, zumindest einem Auslaß für die gereinigten Gase, der in ihrem oberen oder unteren Abschnitt angeordnet ist, und zumindest einem Auslaß für die abgeschiedenen Partikel, der in ihrem unteren Abschnitt angeordnet ist. Im Fliehkraftabscheider wird zumindest ein vertikaler Wirbel gebildet.
Bisher sind verschiedene Zyklonabscheider bekannt, die eine zylindrische, vertikale Wirbelkammer umfassen, die als Trennkammer dient und deren untere Teil als sich abwärts verjüngender Trichter ausgebildet ist. Der obere Abschnitt der Wirbelkammer ist mit einem tangentialen Einlaßkanal für die zu behandelnde Gasströmung versehen. Das gereinigte Gas wird im allgemeinen durch eine zentral am oberen Ende der Wirbelkammer angeordnete Öffnung abgeleitet. Bei Durchlaufzyklonen wird das Gas aus der Wirbelkammer durch ein Mittenrohr abgeleitet, das im Boden der Wirbelkammer angeordnet ist.
Im Zyklon wird Feststoff aus den Gasen durch Fliehkraft abgeschieden und fließt die Wand der Trennkammer entlang in den konischen Teil des Abscheiders hinab, von wo er abgeleitet wird. Bei einem konventionellen Zyklonabscheider beruht die Abscheidung auf der gegenseitigen Wirkung von Fliehkraft und Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit. Die in einen konventionellen Zyklon eintretende Gasströmung beginnt, spiralig, hauptsächlich abwärts, die Außenwand der Wirbelkammer entlang zu wirbeln und wird beim Abnehmen des Kegeldurchmessers beschleunigt. Im unteren Abschnitt des Zyklons ändern die Gase ihre Bewegungsrichtung und beginnen, in der Mitte der Wirbelkammer aufwärts, zum oberen Abschnitt des Abscheiders zu fließen, der mit einem Gasauslaßkanal versehen ist. Der Feststoff, der sich infolge der Wirkung der Fliehkraft an den Wänden des unteren Abschnitts der Wirbelkammer angesammelt hat, ist nicht imstande, den Gasen zu folgen, sondern fließt abwärts in einen Auslaßkanal weiter.
Die Zyklonwände werden insbesondere durch abrasiven Feststoff stark abgenutzt. Der Abriebeffekt kann besonders in jenem Teil der Wand nach dem Einlaß beobachtet werden, auf dem der Feststoffstrom zuerst aufschlägt. Man hat versucht, den Abrieb durch Schützen der Innenflächen der Wirbelkammer durch abriebfeste Feuer festmaterialien oder durch Fertigung der Wirbelkammern aus abriebfesten Materialien zu verringern. Eine hohe Temperatur verstärkt den Abriebeffekt von Feststoff.
Ein Problem, dem man bei Reaktoren mit zirkulierender Wirbelschicht begegnet, die bei Verbrennungs- und Vergasungsprozessen immer häufiger eingesetzt werden, ist die Abscheidung von von Heißgas mitgeführten Feststoffpartikeln und Rückführung derselben zum Reaktor. Spezielle Anforderungen, die an den in einer solchen Situation eingebauten Fliehkraftabscheider gestellt werden, sind die Fähigkeiten, große Feststoffmengen aus Gasen kontinuierlich abzuscheiden und die Erosionsbelastung standzuhalten, wenn große Volumen heißer Gase und Feststoffpartikel durch den Abscheider fließen.
Der Hauptnachteil bei den konventionellen Zyklonen in großen Reaktoren besteht darin, daß die Zyklone zum Beispiel mit keramischen Wärmedämmstoffen wärmeisoliert sein müssen, um die Außenfläche des Abscheiders verhältnismäßig kalt zu halten. Um eine ausreichende Wärmeisolierung zu erreichen, ist eine dicke Schicht von Isoliermaterial notwendig, was den Preis, das Gewicht und den Platzbedarf des Abscheiders erhöht. Des weiteren, um heißen Verhältnissen standzuhalten, müssen die Zyklone inwendig mit abrieb- und feuerfesten Schichten geschützt werden. Die Zyklonwände werden dabei mit zwei Schichten verschiedener Materialien bedeckt. Es ist schwierig und zeitraubend, diese zwei Schichten auf die Wände aufzubringen, besonders weil eine der Schichten sehr dick ist und langsam trocknen muß. Die zwei Schichten sind auch sehr anfällig gegenüber Beschädigung infolge von Temperaturdifferenzen zum Beispiel beim Anlauf und mechanischer Beanspruchung im Betrieb des Systems.
Im großen und ganzen ist aus dem Zyklon eine Vorrichtung mit dicken, beschädigungsanfälligen Isolierschichten geworden, die einen sehr großen Raum beansprucht. Weil er eine schwere Konstruktion ist, erfordert er auch eine starke Stützkonstruktion. Diese schwere Konstruktion bedeutet, daß der Anlauf eine lange Zeit dauert, um Sprünge an keramischen Teilen oder Feuerfestmaterialien zu vermeiden. Temperaturdifferenzen an der feuerfesten Auskleidung während des Anlaufs können Risse verursachen und müssen deshalb vermieden werden.
Das in Reaktoren mit zirkulierender Wirbelschicht zirkulierende Bettmaterial kann äußerst fein sein, wenn zum Beispiel feiner Kalk fürs Absorbieren von Schwefeldioxid im Bett verwendet wird oder wenn die Brennstoffasche fein ist. Dies setzt hohe Anforderungen an den Zyklon. Man hat versucht, die Abscheideleistung des Zyklons durch Serienschaltung von zwei oder mehreren Zyklonen zu verbessern. Nachteile solcher Verbindungen sind große Druckverluste, teuere Konstruktion und viel Platz erfordernde Verbindungen.
Aus parallelgeschalteten Zyklonen bestehende Zyklonbatterien sind auch vorgeschlagen worden, um eine bessere Abscheideleistung zu erreichen. Das Ziel ist darin bestanden, höhere Abscheideleistungen bei Benutzung kleinerer Einheiten zu erreichen. Diese Zyklonbatterien sind jedoch teuer und kompliziert herzustellen. Die Zyklonbatterien erfordern eine bestimmte Mindest-Druckdifferenz, damit das Gas stets gleichmäßig auf die verschiedenen Zyklone verteilt wäre.
Die Wände der Verbrennungsreaktoren sind in der Regel aus Wasserrohrpaneelen zur partiellen Rückgewinnung der im Reaktor erzeugten Wärme ausgeführt. Die Zyklonabscheider und Rückführkanäle für Feststoff sind gewöhnlich ungekühlte, wärmeisolierte Konstruktionen. Wegen der ungleichmäßigen Wärmedehnung und der dicken Isolierschichten ist das Zusammenfügen solcher gekühlter und ungekühlter Teile schwierig. Deshalb erfordern die Verbindungen zwischen Reaktor und Abscheider teure keramische oder entsprechende heißfeste Einschußkanäle und Dehnungsfugen. Der Zyklonabscheider und der danach angeordnete Konvektionsabschnitt erfordern ebenfalls spezielle Dehnungsfugen.
Bei Änderung des Durchmessers des Querschnitts eines Zyklons ändert sich der Abstand zwischen benachbarten Wasserrohren der Zyklonwand, es sei denn, einige Rohre werden weggenommen oder in einige Teile der Zyklonwand eingefügt. Dies ist ein komplizierter Vorgang.
Um die obenerwähnten, durch Wärmedehnung verursachten Nachteile zu vermeiden, schlägt zum Beispiel das US-Patent 4,746,337 einen Zyklon der Wasserrohrkonstruktion vor. Doch die Herstellung eines zylindrischen Zyklons rohrförmiger Kots struktion ist nicht einfach. Außerdem müssen die Rohrpaneele in der Herstellungsphase sehr umständlich gebogen werden, was ein zeitraubender und schwieriger Vorgang ist.
Die finnische Patentanmeldung 861224 stellt einen zylindrischen Zyklonabscheider der Wasserrohrkonstruktion dar, wo eine der Wasserrohrwände für sowohl eine Reaktionskammer als auch einen Partikelabscheider gemeinsam ist. Wie oben, schließt auch diese Anordnung starke Biegungen ein.
Die US-Patentveröffentlichung 4,615,715 stellt eine Abscheider-Umfassung, die aus Rohrpaneelen gefertigt ist, und eine eigentliche Wirbelkammer dar, die aus einer zylindrischen, abriebfesten Einheit hergestellt ist, die innerhalb der Umfassung angeordnet ist. Der ringförmige Raum zwischen Abscheider-Umfassung und zylindrischer Einheit ist mit einem geeigneten Füllstoff gefüllt. Wegen der innerhalb des Abscheiders angeordneten zylindrischen Einheit und wegen des Füllstoffs ist der Abscheider jedoch groß und schwer, obwohl man einen Teil der Wärmeisolierung weggelassen hat. Des weiteren wird der zylindrische Innenteil der Wirbelkammer durch Partikel abgetragen, die die Wände entlang abwärts fließen.
Gemäß der Erfindung ist eine Abscheidervorrichtung vorgesehen, die von der Konstruktion her einfacher, gegenüber Beschädigung, besonders an ihren Isolierschichten ist, weniger anfällig ist, nicht so viel Platz beansprucht und weniger teuer als konventionelle Hochtemperatur-Zyklonabscheider ist. Der erfindungsgemäße Fliehkraftabscheider kann aus einfachen Elementen, zum Beispiel hauptsächlich planaren oder plattenförmigen Wasserrohrpaneelen hergestellt werden. Der erfindungsgemäße Abscheider wird leicht modular ausgeführt. Wegen seiner Modulbauweise läßt sich der erfindungsgemäße Abscheider besser als die bisher bekannten Konstruktionen auf große Reaktoren mit zirkulierender Wirbelschicht anwenden und ist höchst abriebfest.
Es ist eine charakteristische Eigenschaft des erfindungsgemäßen Fliehkraftabscheiders, daß die Wirbelkammer nichtzylindrisch ist, sich hauptsächlich aus planaren Wänden zusammensetzt, wobei der Querschnitt der Seitenwände der Wirbelkammer vorzugsweise die Form eines Quadrats, Rechtecks oder anderen Polygons hat. Der Querschnitt des inneren Gasraums, der durch die Wirbelkammer begrenzt wird, ist eindeutig nichtkreisförmig. Mit "Gasraum" in einer Wirbelkammer ist der Innenraum gemeint, der sich frei mit Gas füllen kann. Der Gasraum wird im wesentlichen durch die Innenwände der Wirbelkammer und durch (eventuelle) an der Wand befestigte Elemente begrenzt. Der Gasraum ist ein Raum, in den Gas frei fließen kann, ohne durch irgendwelche Elemente, feuerfeste Schichten oder dergleichen daran gehindert zu werden.
Die Querschnittsform des Gasraums der Wirbelkammer kann durch eine Kreisförmigkeit X dargestellt werden, die gleich dem Umfang des Gasraums geteilt durch den Umfang des größten im Querschnitt des Gasraums enthalten Kreises ist. Bei einem zylindrischen Abscheider X = 1 und bei einem quadratischen X = 1,273. Beim erfindungsgemäßen Abscheider ist die Kreisförmigkeit X des Gasraums des Abscheiders gleich oder größer 1, zum Beispiel X ≥ 1, 1, und vorzugsweise ist X gleich oder größer 1,15. Obwohl ein Abscheider mit einer Kreisförmigkeit von X > 1 als solcher aus der deutschen 3435214 bekannt ist, wird solch eine Konstruktion als ungeeignet für den Einsatz bei der Abscheidung von Partikeln betrachtet und führt somit weg von der Erfindung.
Die Innenseite der Wirbelkammer des erfindungsgemäßen Abscheiders ist zumindest teilweise mit einer dünnen Schicht abrieb- und feuerfesten Materials ausgekleidet. Diese feuerfeste Schicht macht den Querschnitt des Gasraums nicht wesentlich kreisförmig, schützt aber abrasionsanfällige Bereiche in der Wirbelkammer. Noch funktioniert die feuerfeste Schicht bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wesentlich als Wärmeisolierung in einer Wirbelkammer. Die Dicke der feuerfesten Schicht ist vorzugsweise nur ungefähr 40 bis 150 mm. Diese dünne abrieb- und heißfeste Schicht kann mit Stiften oder anderen Klemmitteln an der Wandoberfläche der Wirbelkammer befestigt werden, welche Wandoberfläche vorzugsweise ein Wasserrohrpaneel ist. Durch Befestigen der feuerfesten Schicht direkt an einer gekühlten Wand, ohne irgendwelche Isolierung oder andere Schichten dazwischen, wird auch die Abkühlung der feuerfesten Auskleidung ermöglicht. Beim Abkühlen wird diese feuerfeste Schicht sowohl chemisch als auch mechanisch beständiger. Wärmeleitendes Material kann als abriebfestes Material ausgewählt werden. Solches Material kühlt noch schneller ab. Die Stifte verbessern ebenfalls die Abkühlung. Um den Abriebeffekt der im Eintrittsgas suspendierten Partikel zu vermindern, können die gegenüber der Einlaßwand befindliche Wand sowie besonders abriebanfällige Bareiche mit einer speziellen, zusätzlichen Schicht schützenden Feuerfestmaterials oder mit einem Feuerfestmaterial versehen werden, das abriebfester als die feuerfeste Auskleidung in der übrigen Kammer ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung setzen sich die Wände der Wirbelkammer aus Kühlflächen, wie z. B. Wasserrohrpaneelen, zusammen. Weil die Wirbelkammer vorzugsweise durch planare Wände begrenzt wird, können die Wandelemente planare oder gekrümmte vorfabrizierte Wasserrohrpaneele sein. Somit ist es möglich, einen Fliehkraftabscheider, wie z. B. zum Beispiel einen Vergasungs- oder Verbrennungsreaktor, zu montieren, indem er am beabsichtigten Standort zusammengeschweißt wird. Ein Teil oder vorzugsweise alle Wände der Wirbelkammer sind einer gekühlten Konstruktion. Das Kühlsystem der Wirbelkammer ist vorzugsweise mit dem Haupt-Wasser-/Dampfsystem des damit verbundenen Wirbelschichtreaktors verbunden.
Ein gekühlter Partikelabscheider gemäß der vorliegenden Erfindung muß nicht mit dicken feuerfesten Ausmauerungen oder anderen dicken Schutzschichten ausgekleidet sein, die infolge von Temperaturdifferenzen beim Anlauf oder im Betrieb leicht beschädigt werden könnten und deshalb leicht Risse oder Sprünge bekommen würden [dicke Auskleidungen beanspruchen auch viel Platz]. Gemäß der vorliegenden Erfindung reichen relativ dünne abriebfeste Schutzschichten auf dem Kühlpaneel aus. Gemäß der vorliegenden Erfindung können Probleme mit dicken Auskleidungen, wie auch andere Probleme infolge von Wärmedehnungen, vermieden werden. Wärmedehnungen in sowohl Reaktionskammer als auch Abscheider können leichter vorausgesagt und ausgeglichen werden, wenn beide aus Wasserrohrpaneelen ausgebildet sind, wobei sich die Temperatur leichter regeln läßt. Grundsätzlich, infolge der kleineren oder nicht vorhandenen Differenzen bei der Wärmedehnung zwischen Reaktionskammer und erfindungsgemäßem Abscheider können Probleme mit Dehnungsfugen zwischen Abscheider und Reaktionskammer minimiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Fliehkraftabscheider eine längliche Wirbelkammer, wo zwei oder mehrere parallele Gaswirbel mit Abstand zueinander gebildet werden. Die Seitenwände der Wirbelkammer bestehen aus vier planaren Paneelen, zum Beispiel Wasserrohrpaneelen, wobei zwei einander gegenüber liegende Wände die langen Wände und die restlichen zwei die Stirnwände der Wirbelkammer sind. Die langen Wände können vorzugsweise zweimal oder mehrere Male länger als die Stirnwände sein. Im dem Fall entspricht der Querschnitt des Innenraums der Wirbelkammer vorzugsweise dem Raum von zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Quadraten, wobei die Länge einer Seite des Quadrats der Länge der Stirnwand entspricht. Vorzugsweise ist die Anzahl der Gaswirbel gleich der Anzahl von Quadraten.
Die längliche Wirbelkammer ist mit einer Vielzahl aufeinanderfolgender Wirbel in der Längsrichtung der Kammer versehen, indem der/die Gaseinlaß/-einlässe und der/die Gasauslaß/-auslässe passenderweise derart angeordnet sind, daß die Anzahl der in der Wirbelkammer erzeugten Wirbel der Anzahl ihrer Gasauslässe entspricht.
Der/die Gasauslaß-auslässe sind in der Wirbelkammer so angeordnet, daß das Gas vom Einlaß tangential in einen oder zwei parallele Wirbel geleitet werden kann.
Die Gaseinlässe sind in der Seitenwand der Wirbelkammer so angeordnet, daß sie das Gas tangential vom Einlaß in die Gaswirbel in der Wirbelkammer leiten und den "Dralleffekt" der eingeführten Gasstrahlen um die Zentren der Gasauslaßöffnungen herum entsprechen. Der "Dralleffekt" = * v * r, wenn m = Massenstrom, v = Gasgeschwindigkeit in der Einlaßöffnung und r = der senkrechte Abstand zwischen Gaseintrittsstrahl und Zentrum der Gasauslaßöffnung. Die in den Wirbelkammern gebildeten Gaswirbel sind wesentlich konzentrisch mit den Gasauslaßöffnungen. Es ist auch möglich, Gas von einem Einlaß zu zwei nebeneinanderliegenden Gaswirbeln zu leiten oder Gas von zwei oder mehreren Gaseinlässen einem einzigen Gaswirbel zuzuführen.
Die längliche Wirbelkammer sollte passenderweise neben (in betrieblicher Verbindung mit) einem Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht derart angeordnet werden, daß eine der Reaktorwände oder zumindest ein Teil des oberen Abschnitts der Wand als Wirbelkammerwand dient. Somit kann zum Beispiel ein Teil einer gemeinsamen langen Wand des Reaktors als lange Wand der Wirbelkammer dienen, was natürlich die Materialkosten beschneidet.
Des weiteren können vorzugsweise zwei andere Wände des Reaktors zum Verbinden des Reaktors mit dem Abscheider genutzt werden. Die Verlängerungen der zur gemeinsamen Wand senkrechten Wände können zum Beispiel die Stirnwände der Wirbelkammer bilden. Somit können bei der Abscheiderkonstruktion drei gekühlte Paneelwände des Reaktors benutzt werden, was bemerkenswerte Vorteile sowohl wirtschaftlich als auch in Anbetracht der Herstellung bringt. Diese Konstruktion ermöglicht das Anordnen zum Beispiel des Brennraums des Wirbelschichtreaktors und des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders auf solche Weise, daß eine einzelne rechteckige Konstruktion entsteht, die in hinsicht auf die Abstützung der Konstruktion höchst vorteilhaft ist.
Ein Auslaß für den abgeschiedenen Feststoff kann jedem Gaswirbel entsprechend in der Wirbelkammer vorgesehen werden, so daß sich eine gleichmäßige Verteilung zurückgeführten Feststoffs in die Reaktionskammer leicht von mehreren benachbarten Stellen aus, zum Beispiel in einem Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht, arrangieren läßt. Der in den verschiedenen Wirbeln abgeschiedene Feststoff kann zum anderen in einer Sammelkammer oder einem Trichter aufgefangen werden, die/der im unteren Abschnitt der Wirbelkammer angeordnet ist, und weiter zur gewünschten Stelle in ein oder mehreren Partikelströmen geleitet werden.
In der länglichen Wirbelkammer können die langen Wände Abstützung zur Versteifung der Wandpaneele und zur Verhinderung der Verbiegung derselben benötigen. In diesem Fall können Querstütze oder -wände zwischen den zwei einander gegenüber liegenden langen Wänden, zur Versteifung der Kammerkonstruktion angeordnet werden. Die Querstützen/-wände werden zwischen zwei Gaswirbeln derart angeordnet, daß die Querstützen/-wände keine nachteilige Auswirkung auf die Wirbelbildung auswirken. Die Querstützen/-wände können gekühlt und/oder aus abrieb- und heißfestem Material hergestellt sein. Die Querstützen können eine Trennwand in der Wirbelkammer bilden, so daß sie die Kammer teilweise oder vollständig in getrennte Abschnitte unterteilen. Die Querstützen können sich von der Decke der Wirbelkammer bis zu deren Boden hinab erstrecken, wodurch in der Kammer zwei oder, je nach der Anzahl der Querwände, mehrere vollständig voneinander getrennte Gasräume gebildet werden. Zum anderen können die Querstützen lediglich kurze Stützelemente sein, die die Kammer tatsächlich nicht in getrennte Gasräume aufteilen.
Die Gaseinlässe in der Wirbelkammer haben vorzugsweise die Form vertikaler, schmaler, länglicher Schlitze. Die Schlitze können zum Beispiel so hoch wie der obere Abschnitt der Wirbelkammer sein. Die Schlitzbreite wird nach dem für die Gasströmung erforderlichen Querschnitt festgelegt. Die Einlässe können vorzugsweise mit Leitblechen zur Leitung des Gases tangential in den Wirbel vorgesehen sein. Die Leitbleche dienen auch als Versteifungen der langen Wand.
Bei erfindungsgemäßen Fliehkraftabscheidern wird nur ein Gaswirbel gebildet, wenn der Abscheider einen quadratischen Querschnitt hat. Es ist leicht, eine Vielzahl derselben parallel zu arrangieren, und dadurch eine kompakte, aus einfachen Elementen aufgebaute Zyklonbatterie zu konstruieren, die wenig Raum beansprucht.
Die bedeutendsten Vorteile der Erfindung sind ihre einfache Konstruktion und die Tatsache, daß sowohl eine Reaktionskammer als auch eine kleine Batterie von Partikelabscheidern zum Beispiel aus einfachen, planaren Teilen, wie z. B. fertigen Wasserrohrpaneelen, konstruiert werden können, die nach einem billigen Schweißverfahren in einer Werkstatt vorfabriziert sein können. Durch Arrangieren einer Vielzahl von Gaswirbeln, die die Abscheidung von Feststoff in einem länglichen Wirbelkammerraum bewirken, wird weniger Abscheiderwandfläche im Vergleich zu einer Zyklonbatterie gebraucht, die sich mehreren unabhängigen Abschcheidern zusammengestellt ist.
Dank der Kühlung ist die Wandkonstruktion des Abscheiders dünner als die der konventionellen Heißgasabscheider, und aufgrund seiner quadratischen/rechteckigen Form, kann der Abscheider aus aus Blech geformten Teilen hergestellt werden.
Ein Abscheider gemäß der Erfindung ist konstruktionsmäßig geeignet zur Reinigung von Produkt- oder Rauchgasen, zum Beispiel in Vergasern und Verbrennungsreaktoren, die nach dem Wirbelschichtprinzip arbeiten, wo es wünschenswert ist, eine gekühlte Konstruktion zu haben, und wo die Menge der abzuscheidenden Partikel groß ist. Die Erfindung ist besonders geeignet zur Abscheidung von Feststoff aus Gasen in Reaktoren mit zirkulierender Wirbelschicht.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fliehkraftabscheiders gemäß der Erfindung, der in betrieblicher Verbindung mit einem Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht angeordnet ist;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht von Fig. 1 entlang Linie 2-2 derselben;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht von Fig. 2 entlang Linie 3-3 derselben;
Fig. 4 ist eine Darstellung eines zweiten Fliehkraftabscheiders gemäß der Erfindung, der in einem Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht angeordnet ist;
Fig. 5A ist eine Schnittansicht von Fig. 4 entlang Linie 5-5 derselben;
Die Fig. 6A und 7A sind Schnittansichten wie jene von Fig. 3 und 5A und stellen andere beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Fliehkraftabscheider dar;
Die Fig. 5B-7B sind Ansichten wie jene von Fig. 5A-7A für geringfügig abweichende Ausführungsformen;
Fig. 8 ist eine Schnittansicht einer noch anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fliehkraftabscheiders;
Fig. 9 ist eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Reaktors mit zirkulierender Wirbelschicht mit Fliehkraftabscheidern, die an seiner Peripherie angeordnet sind;
Fig. 10 ist eine Ansicht wie die von Fig. 9 mit dem Unterschied, daß sie eine kreisförmige Konstruktion des Reaktors mit Fliehkraftabscheidern an seiner Peripherie darstellt;
Fig. 11 ist eine vertikale Schnittansicht einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors mit zirkulierender Wirbelschicht mit damit verbundenen Fliehkraftabscheidern; und
die Fig. 12 bis 15 sind vertikale Schnittansichten wie jene von Fig. 11, nur für abweichende Ausführungsformen von Reaktoren mit zirkulierender Wirbelschicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Fig. 1, 2 und 3 stellen einen Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht dar, der eine Reaktionskammer 10, einen zentrifugalen Partikelabscheider (Zyklon) 12 und einen Rückführkanal 14 für abgeschiedene Partikel umfaßt. Der Querschnitt der Reaktionskammer ist rechteckig, und die Reaktionskammer 10 besteht aus Wasserrohrwänden, von denen nur die langen Wände 16 und 18 in Fig. 1 dargestellt sind. Die Wasserrohrwände sind vorzugsweise aus miteinander verbundenen vertikalen Wasserrohren gebildet.
Der obere Teil von Wand 18 ist derart gebogen, daß sie die Decke 20 der Reaktionskammer 10 bildet. Die Wände im unteren Abschnitt der Reaktionskammer 10 sind mit Feuerfestmaterial 22 geschützt. Der Reaktor hat einen Einlaß 23 für Feststoff. Der Boden der Reaktionskammer 10 ist aus eine Verteilerplatte 24 gebildet, die mit Düsen oder Öffnungen 26 zur Einführung von Fluidisierungsgas aus einem Luftverteilraum 28 in die Reaktionskammer fürs Aufrechterhalten einer Wirbelschicht in der Kammer versehen ist. Fluidisierungsgas oder Fluidisierungsluft wird in die Reaktionskammer mit einer solch hohen Geschwindigkeit eingeführt, daß dadurch ein Teil des Bettmaterials, das fluidisiert wird, kontinuierlich mit dem Gas durch eine im oberen Abschnitt der Kammer 10 angeordnete Öffnung 30 in den Partikelabscheider 12 fließt.
Der Fliehkraftabscheider 12 gemäß der Ausführungsform von Fig. 1, 2 und 3 ist ein Multivortex-Fliehkraftabscheider, wo zwei parallele, vertikale Gaswirbel, die aus dem aus der Reaktionskammer abgezogenen Gas Partikel mittels Fliehkraft abtrennen, im Gasraum 31 des Abscheiders entstehen. Eine Wirbelkammer begrenzt den Abscheider 12 und umfaßt vorzugsweise planare, hauptsächlich rechteckige Wasserrohrwände 32, 34, 36 und 38. Vorzugsweise sind auch diese Wände zusammengefügte vertikale Wasserrohre. Die Wirbelkammer des Abscheiders 12 hat zur Reaktionskammer hin eine lange mit der Reaktionskammer gemeinsame Wand, d. h. ein Teil der Wand 16 der Reaktionskammer 10 bildet die Wand 32 der Wirbelkammer. Am Schlitz 30 ist die Wasserrohrwand 32 auf solche Weise zur Innenseite der Wirbelkammer hingebogen, daß die gebogenen Teile 40 einen Einlaßkanal 42 bilden, der die Gasströmung in den Wirbelkammer-Gasraum 31 leitet. Der Schlitz 30 ist hoch und schmal, höher und schmaler als bei konventionellen Vertikalzyklonen, vorzugsweise ebenso hoch wie der obere Abschnitt 43 der Wirbelkammer. Bei dieser Konstruktion mit einem Einlaß für zwei Wirbel kann das Höhe/Breite-Verhältnis niedriger, aber vorzugsweise > 3, sein. Die von der Wand einwärts gebogenen Teile 40 sind vorzugsweise solcherart gebogen, daß sie einen Einlaßkanal bilden, der sich einwärts zur Wirbelkammer hin verjüngt.
Die oberen Teile der Wände der Wirbelkammer sind vorzugsweise vertikal und planar und bilden den oberen Abschnitt 43. Der untere Teil der langen Wand 36 ist zur gegenüberliegenden langen Wand 32 hin gebogen und bildet den unteren Abschnitt 45 der Wirbelkammer. Durch diese Konstruktion wird ein asymmetrischer, langer, trichterförmiger Raum 44 gebildet, wobei der untere Teil des Raums einen Feststoffauslaß 46 bildet.
Der Auslaß 46 dient auch als Einlaß zum Rückführkanal 14. Die langen Wände des Rückführkanals werden durch die Verlängerungen der Wände 32 und 36 des Partikelabscheiders 12 gebildet. Die Stirnwände des Rückführkanals 14 werden entsprechend durch die Verlängerungen der Wände 34 und 38 gebildet. Nur ein Abschnitt der Stirnwände 34 und 38 mit der Breite des Rückführkanals 14 setzt sich abwärts fort und bildet dadurch einen Rückführkanal. Die restlichen Teile der Stimwände erstrecken sich lediglich bis zum oberen Teil des Rückführkanals 14, wie in Fig. 1 bei Wand 34 dargestellt ist. Der untere Teil des Rückführkanals 14 steht über einen L-Krümmer 48 mit dem unteren Bereich der Reaktionskammer 10 in Verbindung, um den im Abscheider 12 abgeschieden Feststoff in die Wirbelschicht zurückzuführen.
Im oberen Bereich 43 der Wirbelkammer sind zwei aufeinanderfolgende Gasauslaßkanäle 54 und 56 in Öffnungen 50 und 52 angeordnet, um gereinigtes Gas aus dem Gasraum 31 der Wirbelkammer abzuführen. Die Gasauslaßkanäle 54, 56, d. h. die sogenannten Mittenrohre des Abscheiders, können entweder keramische oder gekühlte Kanäle sein, um den heißen Verhältnissen im Abscheider zu standzuhalten. Die Mittenrohe sind im Gasraum 31 der Wirbelkammer vorzugsweise so angeordnet, daß ihre Mittelachsen mit der natürlichen Mittelachse des Gaswirbels zusammenfallen, der durch Verwirbelung von Gas in Raum 31 gebildet wird. Die Gase werden aus dem Abscheider 12 in einen darüber angeordneten Kanal 60, welcher Kanal 60 mit Wärmerückgewinnungsflächen 62 versehen ist, und weiter in einen vertikalen, neben der Reaktionskammer 10 angeordneten Konvektionsabschnitt 64 geleitet, welcher Konvektionsabschnitt ebenfalls mit Wärmerückgewinnungsflächen 66 ausgestattet ist. Die Gase werden über Kanal 68 abgezogen.
Die langen Wände der Wirbelkammer sind mittels einer Trennwand 70 verstärkt, die sich von Wand 32 zur Wand 36 erstreckt. Die Trennwand erstreckt sich von unterhalb des Einlasses 30 bis in den unteren Abschnitt der Wirbelkammer. Die Trennwand verhindert Verbiegungen und Vibrationen der langen Wände, die durch das fließende Gas verursacht werden. Statt einer Trennwand können auch verschleißfeste Stützbalken zur Versteifung der langen Wände eingesetzt werden. Der von der Wand 32 zum Einlaß 30 hingebogene Tel 40 versteift die Wand 32 im oberen Abschnitt der Wirbelkammer.
Kreisförmige Elemente zur Aufrechterhaltung einer kreisförmigen Bewegung des Gases in einem Wirbel oder zur Leitung des Feststoffs sind in der Wirbelkammer nicht vorgesehen. Deshalb ist der Querschnitt des Gasraums 31 der Wirbelkammer, d. h. des mit Gas gefüllten Raums, eindeutig nichtkreisförmig. Die tangentiale Einspeisung des Eintrittsgases, die Position des Gasauslasses und die planaren Wände tragen zur Bildung des Gaswirbels im Gasraum 31 bei. Überraschend hat man entdeckt, daß im Gasraum 31 des Abscheiders 12 keine zylindrischen oder anderen kreisförmigen Leitwände zur Aufrechterhaltung eines Gaswirbels notwendig sind. In der vorliegenden Spezifikation und den Ansprüchen bedeutet "Kreisförmigkeit" den Umfang des Querschnitts der Innenfläche des Gasraums 31 der Wirbelkammer geteilt durch den Umfang des größten im Querschnitt enthalten Kreises, und ist gemäß der Erfindung größer 1, zum Beispiel 1, 1, und vorzugsweise ≥ 1,15. Die Wände der Wirbelkammer sind inwendig mit einer dünnen Schicht abrieb- und feuerfesten Materials ausgekleidet, die in den Zeichnungen nicht dargestellt ist. Die Dicke der feuerfesten Schicht ist normalerweise ungefähr 40 bis 150 mm. Vorzugsweise kann das heiß- und abriebfeste Feuerfestmaterial direkt an den Wänden 32, 34, 36, und 38 der Wirbelkammer befestigt sein. Stellen, die einem starken Abrieb ausgesetzt sind, erfordern eine dickere Schicht Feuerfestmaterials, oder aber es kann ein abriebfesteres Feuerfestmaterial eingesetzt werden. Somit kann zum Beispiel die gegenüber dem Gaseinlaß 30 befindliche Wand 36 mit einer vertikalen feuerfesten Auskleidung versehen sein, deren Länge der Höhe des Einlasses entspricht. Zumindest ein Teil der Partikel, die vom in die Wirbelkammer fließenden Eintrittsgas mitgeführt werden, schlagen dann auf diesem feuerfest Bereich auf Wand 36 auf.
Die von dem in den Abscheider 12 eintretenden Gas mitgeführten Partikel sind geneigt, einen geraderen Pfad entlang zu fließen als das Gas. Wenn zum Beispiel das Gas in die Wirbelkammer einfließt und seine Bewegungsrichtung ändert, um einen Wirbel zu bilden, bewegt sich ein Teil der Partikel hauptsächlich geradeaus weiter und schlägt auf der gegenüberliegenden Wand 36 auf. Weil sich die Bewegung der Partikel langsam ändert, sind die Eckbereiche der Wirbelkammer für Abrasion anfällig und müssen vorzugsweise mit einer dickeren Schicht Feuerfestmaterials oder mit einer widerstandsfähigeren feuerfesten Auskleidung geschützt werden.
Bei großen Volumina von Feststoffströmen, die für Reaktoren mit zirkulierender Wirbelschicht typisch sind, ist die durch Partikel verursachte Abrasion jedoch nicht unbedingt in dem dem Einlaß gegenüber liegenden Bereich am stärksten. Die kritischen Bereiche können sich auf beiden Seiten dieses Bereiches befinden. Der Grund hierfür könnte darin liegen, daß die Partikel selbst beim Abwärtsfließen eine schützende Sperre oder Schutzschicht in diesem Bereich bilden. Beim Aufbringen einer Schutzschicht aus Feuerfestmaterial empfiehlt es sich, dies im Auge zu behalten, so daß eine widerstandsfähige feuerfeste Auskleidung auf diesen gesamten kritischen Bereich und nicht nur auf die eigentliche Aufschlagstelle senkrecht dem Gaseinlaß gegenüber gefegt wird.
Die Eckbereiche der Wirbelkammer haben eine erhöhte Auswirkung auf die Abscheidung von Partikeln. In den Eckbereichen ist der Gassuspensionsstrom gezwungen, seine Richtung abrupt zu ändern. Das Gas ändert seine Strömungsrichtung viel leichter als die Partikel, die sich in den Eckbereichen ansammeln. Dieses führt zu einer Abnahme der Partikelströmungsgeschwindigkeit in Richtung der Wirbelströmung in den Eckbereichen. Die Partikelströmung kann sogar zum Stillstand kommen, wenn sie auf einer Schicht schwererer Partikelsuspension nahe der Wand in den Eckbereichen aufprallt, was zu einer weiteren Konzentration von Partikeln nahe der Eckbereiche führt. Somit scheiden sich konzentrierte Partikelsuspensionen/-schichten oder andere schwere Partikelkluster durch die Schwerkraft leichter aus der Gasströmung in der Wirbelkammer aus und fließen in den Eckbereichen abwärts in den unteren Teil des Abscheiders.
Der Rückführkanal 14 ist des weiteren durch eine Trennwand 71 in zwei Teile 13 und 15 aufgeteilt, dessen untere Abschnitte durch mit Ziegeln ausgemauerte oder mit Feuerfestmaterial ausgekleidete Wände 72 zu trichterförmigen Räumen 74 und 76 gestaltet sind, in welche Räume der abgeschiedene Feststoff fließt. Aus den trich terförmigen Räumen wird der Feststoff über Öffnungen 78 und 80 zurück zum unteren Abschnitt der Reaktionskammer eingeführt.
Fig. 1 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar. Dieser Ausführungsform zufolge bildet die Wand 16 der Reaktionskammer die Wand 32 des Rückführkanals 14. Gemäß einer zweiten Ausführungsform, die in Fig. 4 dargestellt ist, ist der Rückführkanal durch getrennte Wände begrenzt, wobei die Wand der Reaktionskammer nicht genutzt wird. In Fig. 4 werden entsprechende Bezugszeichen wie in Fig. 1, 2 und 3 eingesetzt. Im unteren Abschnitt der Wirbelkammer 12 sind die beiden Wände 32 und 36 aufeinander zugebogen, so daß sie einen symmetrischen Trichter im unteren Abschnitt der Wirbelkammer zu bilden. Der Rückführkanal 14 ist somit mit kurzem Abstand zur Reaktionskammer angeordnet. Der untere Teil des Rückführkanals ist mit einer Feststoffschleuse oder einem Knie 84 versehen, wodurch verhindert wird, daß das Gas aus der Reaktionskammer in den Rückführkanal fließt.
Bei der Ausführungsform, die in Fig. 4 dargestellt ist, ist des Rückführkanal 14 ein langgezogener Kanal wie bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform. Bei Anwendung von Trennwänden kann jedoch der unterste Abschnitt der Wirbelkammer derart gestaltet sein, daß er einen oder mehrere Auslässe für Feststoff im trichterförmigen unteren Teil der Wirbelkammer bildet, wobei die Form der Auslässe einem Quadrat oder einem Kreis ähnlich ist. Somit kann/können der Auslaß oder die Auslässe mit rohrförmigen Rückführkanälen wie bei konventionellen, vertikalen Zyklonabscheidern, verbunden sein.
Fig. 5A ist eine Schnittansicht von Fig. 4 analog zu Fig. 3 für Fig. 1. Bei der in Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Ausführungsform ist die Wirbelkammer 12 mit einem Gaseinlaß 30 versehen. Der Fliehkraftabscheider gemäß Fig. 5A ist mit zwei Einlässen 86 und 88, einem für jeden Gaswirbel, versehen. Wie im Falle von Fig. 3, ist auch der Querschnitt der Wirbelkammer 12 rechteckig. Der Querschnitt des Gasraums pro Wirbel ist fast ein Quadrat. Die Wände der Wirbelkammer sind mit einer dünnen Schicht abriebfesten Feuerfestmaterials geschützt, die in den Zeichnungen nicht dargestellt ist.
Der erfindungsgemäße Fliehkraftabscheider ist besonders vorteilhaft, weil in einer Abscheider-Umfassung eine Vielzahl Gaswirbel gebildet werden kann. Es können zum Beispiel vier Wirbel in einem Raum innerhalb des Abscheiders angeordnet werden, wobei jedem Wirbel ein eigener Gasauslaß 54, 55, 56 und 57, wie in Fig. 6A dargestellt ist, zugeordnet ist. Vorzugsweise sind zwei Gaseinlässe in ein und dem selben Abscheider angeordnet, so daß jeweils ein Einlaß zweien Wirbeln Gas zuführt. Entsprechend können Abscheider mit einer noch größerer Anzahl von Wirbeln vorgesehen werden.
Die Gaseinlässe sind im Abscheider so angeordnet, daß sie das Gas hauptsächlich tangential auf den zu bildenden Wirbel zuführen. Bei der in Fig. 6A dargestellten Ausführungsform der Erfindung hat ein Multivortex-Abscheider eine Stützwand 70, die die langen Wände des Abscheiders abstützt. Die Wand teilt die Wirbelkammer in zwei Abschnitte gleicher Größe.
Zum anderen können auch unabhängige Abscheider mit zwei Wirbeln einfach nebeneinander angeordnet werden, so daß eine Abscheiderbatterie mit vier Wirbeln entsteht. Dank den planaren Wänden lassen sich die Abscheider leicht nebeneinander arrangieren, ohne daß sie Extra-Raum beanspruchen würden. Eine erforderliche Anzahl von kleineren Abscheidern einer Standardgröße kann einfach auf diese Weise verbunden werden. Die Konstruktion ist weit weniger teuer, weil Abscheiderelemente einer Standardgröße gebaut werden können und eine erforderliche Anzahl derselben kombiniert werden kann, statt einen einzigen großen Abscheider herzustellen.
Wenn mehrere planare Wandelemente kombiniert werden, um lange Abscheiderbatterien mit gemeinsamen Trennwänden zwischen den verschiedenen Abscheiderabschnitten zu bilden, ist die Anzahl der auf der Baustelle zu verschweißenden Wände viel kleiner als bei der Herstellung von Abscheidern, die gar nicht zusammengefügt sind. Die Anzahl der Wände in einer erfindungsgemäßen Abscheiderbatterie ist gleich oder kleiner als die Anzahl der Wirbel + 3, wenn eine Trennwand zwischen allen Wirbeln angeordnet ist. Die gesamte Wandfläche, die für die Abscheidereinheiten benötigt wird, ist auch kleiner, was den Abscheider weniger teuer macht. Die Konstruktion von Fig. 1 ist sehr vorteilhaft. Bei dieser Konstruktion wird auch die Wandfläche der Reaktionskammer im Abscheider genutzt. In diesem Fall ist die Anzahl der erforderlichen Wände gleich oder kleiner als die Anzahl der Wirbel + 2, wenn eine Trennwand zwischen allen Wirbeln angeordnet ist. Die Anzahl der Wände ist noch kleiner, wenn keine Trennwände benutzt werden.
Es ist auch möglich, einen einzigen Gaswirbel und einen oder mehrere Gaseinlässe im erfindungsgemäßen Abscheider zu haben, wie in Fig. 7A dargestellt ist. Die Vorteile der Erfindung, die durch Bildung der Wirbelkammer aus planaren Wänden auf solche Weise erreicht wird, daß auch der Innenteil der Wirbelkammer von einer kreisförmigen Form wesentlich abweicht, werden auch in diesem Fall erreicht.
Die Erfindung soll nicht auf die Ausführungsformen der Beispiele begrenzt werden, sondern sie kann innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung modifiziert und angewandt werden, der in den beigefügten Ansprüchen festgelegt ist. So kann etwa die Wirbelkammer in einigen Fällen die Form eines Polygons, wie z. B. eines Sechsecks oder sogar eines Achtecks, haben, die einfach aus planaren Paneelen hergestellt werden können. Der Querschnitt des Gasraums der Wirbelkammer hat hauptsächlich die gleiche Form wie der Querschnitt, der durch die externen Wände der Wirbelkammer gebildet wird. Beim erfindungsgemäßen Abscheider ist der Gasraum der Wirbelkammer nicht mit wesentlich gekrümmten Wänden, zum Beispiel mittels wärmeisolierten Feuerfestmaterialien, abriebfesten Feuerfestmaterialien oder Führungsblechen versehen, so daß sich der Querschnitt der Wirbelkammer einem Kreis nähern würde. Doch können die Innenwände mit einer dünnen Schicht abriebfesten Feuerfestmaterials ausgekleidet sein.
Die Erfindung umfaßt des weiteren ein Verfahren zur Abscheidung von Partikeln aus einem Strom von Hochtemperaturgas mit darin enthaltenen Partikeln bei Benutzung einer Wirbelkammer mit einem internen Gasraum, der eine Kreisförmigkeit größer 1, vorzugsweise ≥ 1, 1, hat. Das Verfahren umfaßt folgende Schritte: (a) Einführung von Hochtemperaturgas samt mitgeführten Partikeln in einen oberen Teil des nichtkreisförmigen inneren Gasraums 31 der Wirbelkammer; (b) Aufrechterhaltung zumindest eines vertikalen Gaswirbels in der Wirbelkammer, wo das Gas im Gasraum verwirbelt wird und mit dem nichtkreisförmigen Querschnitt der Wirbelkammer in Kontakt kommt; (c) Entfernung von Hochtemperaturgas, aus dem Partikelabgeschieden sind, aus der Wirbelkammer; und (d) Entfernung abgeschiedener Partikel aus einem unteren Teil der Wirbelkammer.
Bei der Ausführungsform von Fig. 5B ist die Wirbelkammer 12 ein Polygon, und es gibt keine Trennwand zwischen den Gasräumen, wie bei der Ausführungsform von Fig. 5A. In Fig. 5B gibt es einen Einlaß 86, 88 für jeden Gaswirbel, der im Gasraum 31 der Wirbelkammer 12 gebildet wird. Für die mit den Ausführungsformen von 5A- 7A vergleichbaren Konstruktionen stehen in Fig. 5B-7B die gleichen Bezugszeichen.
Bei der Ausführungsform von Fig. 6B gibt es einen Einlaß 86, 88 für die Gaswirbel in den Gasräumen 31a und 31b. Fig. 7B stellt ein Modul mit einem Gaswirbel dar.
Fig. 8 zeigt zwei Gasräume 31a und 31b, wobei die Gaswirbel einen länglichen Querschnitt und längliche Gasauslaßöffnungen 50, 52 haben.
Fig. 9 zeigt einen Querschnitt eines Reaktors mit zirkulierender Wirbelschicht, der eine Reaktionskammer 110 in der Mitte und Abscheidermodule 112a, 112b, 112c, usw. um den oberen Teil der Reaktionskammer 110 hat. Die mit jenen der Ausführungsformen in Fig. 1-5A vergleichbaren Konstruktionen dieser Ausführungsform haben das gleiche zweistellige Bezugszeichen, jedoch mit einer vorangestellten "1".
Fig. 10 zeigt einen Querschnitt einer zylindrischen Reaktionskammer 210 mit Abscheidermodulen mit gekrümmten Wänden um die Reaktionskammer 210. Die mit jenen der Ausführungsformen in Fig. 1-5A vergleichbaren Konstruktionen dieser Ausführungsform haben das gleiche zweistellige Bezugszeichen, jedoch mit einer vorangestellten "2".
Die Fig. 11-15 zeigen Vertikalschnitte von CFB-Reaktoren, wo Fliehkraftabscheider gemäß der vorliegenden Erfindung arrangiert sind. In Fig. 11 sind Abscheider auf zwei einander gegenüber liegenden Seiten der Reaktionskammer angeordnet. Die beiden langen Wände 332a, 332b und 336a, 336b der Abscheider sind gebogen, um Rückführkanäle 314a und 314b zu bilden. Die langen Wände 332a und 332b sind mit der Reaktionskammer gemeinsame Wände. Die Abscheider sind dabei derart angeordnet, daß sie sich teilweise in die hinein Reaktionskammer erstrecken. Die Rückführkanäle sind auf der Außenseite der Reaktionskammer angeordnet. Die mit jenen der Ausführungsformen in Fig. 1-5A vergleichbaren Konstruktionen dieser Ausführungsform haben das gleiche zweistellige Bezugszeichen, jedoch mit einer vorangestellten "3".
Bei der in Fig. 12 dargestellten Ausführungsform hat nur einer (412b) der Fliehkraftabscheider eine lange gebogene Wand 432b gemeinsam mit der Reaktionskammer 410, wobei lediglich dieser Abscheider 412b in die Reaktionskammer hineinragt. Der Rückführkanal 414b des Abscheiders 412b ist innerhalb der Reaktionskammer angeordnet. Der Rückführkanal 414a des anderen Abscheiders befindet sich außerhalb der Reaktionskammer. Die mit jenen der Ausführungsformen in Fig. 1-5A vergleichbaren Konstruktionen dieser Ausführungsform haben das gleiche zweistellige Bezugszeichen, jedoch mit einer vorangestellten "4".
Bei der in Fig. 13 dargestellten Ausführungsform hat der Abscheider keine gemeinsamen Wände mit der Reaktionskammer. Der Abscheider ist durch Kanal 540 mit der Reaktionskammer 510 verbunden. Die mit jenen der Ausführungsformen in Fig. 1- 5A vergleichbaren Konstruktionen dieser Ausführungsform haben das gleiche zweistellige Bezugszeichen, jedoch mit einer vorangestellten "5".
Fig. 14 bildet eine Ausführungsform ab, die zwei Abscheider 612c, 612d völlig innerhalb der Reaktionskammer 610, ohne irgendwelche gemeinsamen Wände mit der Reaktionskammer, aufweist. Die entsprechenden Rückführkanäle 614 bilden eine Trennwand innerhalb der Reaktionskammer 610. Die mit jenen der Ausführungsformen in Fig. 1-5A vergleichbaren Konstruktionen dieser Ausführungsform haben das gleiche zweistellige Bezugszeichen, jedoch mit einer vorangestellten "6".
Fig. 15 zeigt einen Fliehkraftabscheider 712 gemäß der vorliegenden Erfindung des Durchlauftyps, der einen Gasauslaß 750 im unteren Teil der Wirbelkammer 712 aufweist. Die mit jenen der Ausführungsformen in Fig. 1-5A vergleichbaren Konstruktionen dieser Ausführungsform haben das gleiche zweistellige Bezugszeichen, jedoch mit einer vorangestellten "7".
Während die Erfindung hier mit dem beschrieben wurde, was man für die derzeit praktischeste und bevorzugteste Ausführungsform hält, sollte es einleuchten, daß die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt werden soll, sondern verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen erfassen soll, die vom Geist und Schutzumfang der beigefügten Ansprüche eingeschlossen sind.

Claims

1. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor, umfassend

- eine Reaktorkammer (10), die im wesentlichen durch vertikale plane oder gekrümmte Wände oder durch zylindrische Wände horizontal begrenzt ist,

- Mittel (24, 26) zum Einführen von Fluidisierungsgas in die Reaktorkammer zum Erhalten eines Wirbelbetts in der Kammer,

- einen Fliehkraftabscheider (12), der mit der Reaktorkammer verbunden ist, zum Abscheiden von festen Partikeln aus Gasen, die aus der Reaktorkammer ausgeleitet werden,

- einen Rückführkanal (14) zum Zurückleiten der aus dem Abscheider (12) abgeschiedenen Feststoffpartikel in das Wirbelbett der Reaktorkammer (10),

wobei der Fliehkraftabscheider (12) umfasst

- eine vertikale Wirbelkammer, die einen Innengasraum (31) definierende Wände (32, 34, 36, 38), und einen oberen Abschnitt (43) und einen unteren Abschnitt (45) aufweist,

- zumindest einen Einlaß (30) für die zu reinigenden Gase, der im oberen Abschnitt der Wirbelkammer angeordnet ist;

- zumindest einen Auslaß (54, 56) aus der Wirbelkammer für die gereinigten Gase;

- zumindest einen Auslaß (46) für die abgeschiedenen Partikel, der im unteren Abschnitt der Wirbelkammer angeordnet und mit dem unteren Abschnitt der Reaktorkammer verbunden ist,

wobei der Einlaß, die Auslässe und die Wirbelkammer zumindest einen vertikalen Gaswirbel im Wirbelkammer- Gasraum (31) bilden,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Wände (32, 34, 36, 38) der Wirbelkammer deutlich nicht kreisförmig sind,

- der Querschnitt des durch die Wände (32, 34, 36, 38) definierten Innengasraums (31) der Wirbelkammer die Form eins Polygons hat, wie beispielsweise ein Quadrat oder ein Rechteck, und

- zumindest zwei gegenüberliegende Wände (32, 36) der Wirbelkammer durch Kühlflächen gebildet sind.

2. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Querschnitt des Innengasraums (31), der durch die Wände (32, 34, 36, 38) der Wirbelkammer definiert ist, die Form eines Rechtecks aufweist.

3. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Kreisförmigkeit des Querschnitts des Gasraums der zumindest einen Wirbelkammer größer oder gleich 1,15 ist.

4. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- alle Wände (32, 34, 36, 38) der Wirbelkammer durch Kühlflächen gebildet sind.

5. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Querschnitt des Gasraums (31) im oberen Abschnitt der Wirbelkammer auf verschiedenen Höhen im wesentlichen konstant ist, und daß

- die Querschnittsfläche des Gasraums im unteren Abschnitt der Wirbelkammer nach unten hin abnimmt.

6. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- zumindest eine Wand (36) im unteren Abschnitt (45) der Wirbelkammer so geneigt ist, daß der Gasraum in nach unten gerichteter Richtung abnimmt.

7. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- sich zumindest eine Wand (36) im unteren Abschnitt der Wirbelkammer der gegenüberliegenden Wand annähert, so daß ein Schlitz im unteren Abschnitt gebildet ist.

8. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- sich eine oder mehrere Wände (36, 32) im unteren Abschnitt der Wirbelkammer in solch einer Weise einander nähern, daß der untere Abschnitt der Wirbelkammer einen Kanal mit im wesentlichen der Größe des Auslasses für die abgeschiedenen Partikel bildet.

9. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- sich der zumindest eine Auslaß (46) für die abgeschiedenen Partikel nicht auf derselben Symmetrieachse wie der zumindest eine Auslaß (54) für die gereinigten Gase befindet.

10. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Fliehkraftabscheider (12) zumindest zwei nebeneinander angeordnete vertikale Wirbelkammern umfaßt.

11. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Fliehkraftabscheider (12) zumindest zwei nebeneinander angeordnete vertikale Wirbelkammern umfaßt, die eine gemeinsame Wand haben.

12. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Fliehkraftabscheider (12) zumindest zwei nebeneinander angeordnete vertikale Wirbelkammern umfaßt, die einen gemeinsamen Gaseinlaß haben.

13. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Fliehkraftabscheider (12) zumindest zwei nebeneinander angeordnete vertikale Wirbelkammern umfaßt, wobei eine Wand einer jeden Wirbelkammer durch eine einzelne, die Wirbelkammern verbindende Rohrwand gebildet ist.

14. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Fliehkraftabscheider (12) zumindest zwei nebeneinander angeordnete vertikale Wirbelkammern umfaßt, wobei zwei gegenüberliegende Wände (32, 36) der Wirbelkammern aus zwei die Wirbelkammern verbindenden Rohrwänden gebildet sind.

15. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Wirbelkammer plane, im wesentlichen rechteckige Wasserrohrwände (32, 34, 36, 38) umfaßt, die aus verbundenen vertikalen Wasserrohren gebildet sind.

16. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorkammer (10, 110, 210) rechteckig oder zylindrisch ist.

17. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Reaktorkammer (10, 110, 210) rechteckig oder zylindrisch ist, und daß

18. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Innenflächen des Gasraums der Wirbelkammer mit einer dünnen Schicht abrasions- und feuerfesten Materials ausgekleidet sind.

19. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- die oberen Teile der Wände (32, 34, 36, 38) der Wirbelkammer vertikal verlaufen und plan sind und den oberen Abschnitt (43) der Wirbelkammer bilden, und

- der untere Teil einer Wand (36) zur gegenüberliegenden Wand (32), die den unteren Abschnitt (45) der Wirbelkammer bildet, gekrümmt ist, wodurch ein trichterförmiger Raum (44) gebildet ist, dessen Bodenteil den Auslaß (46) für die Feststoffpartikel bildet.

20. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Fliehkraftabscheider (12) zumindest zwei nebeneinander angeordnete vertikale Wirbelkammern umfaßt,

- der Rückführkanal (14) durch eine Trennwand (71) in zwei Teile (13, 15) unterteilt ist, wobei deren untere Abschnitte in trichterförmige Räume (74, 76) geformt sind, in welche Räume die abgeschiedenen Feststoffpartikelfliessen und von wo die Feststoffpartikel über Öffnungen (78, 80) zurück zum unteren Abschnitt der Reaktorkammer geführt werden.

21. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- der zumindest eine Gaseinlaß (30) die Form eines vertikalen schmalen Schlitzes aufweist, der ungefähr die gleiche Höhe hat wie der obere Abschnitt der Wirbelkammer.

22. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- der zumindest eine Gaseinlaß (30) die Form eines vertikalen schmalen Schlitzes aufweist, und

- am Schlitz (30) die Wand (32) der Wirbelkammer zur Innenseite der Wirbelkammer hin gekrümmt ist, so daß die gekrümmten Teile einen Einlaßkanal (42) bilden, der sich zur Wirbelkammer hin verjüngt zum Führen des Gasstroms in den Wirbelkammer-Gasraum (31).

23. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- der zumindest eine Gaseinlaß (30) die Form eines vertikalen schmalen Schlitzes aufweist, der ein Höhe zu Breite Verhältnis > 3 aufweist.

24. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Querschnitt des Innengasraums (31), der durch die Wände (32, 34, 36, 38) der Wirbelkammer definiert ist, die Form eines Rechtecks aufweist, und

- die Wirbelkammer mit zwei oder mehr in Längsrichtung der Wirbelkammer aufeinanderfolgenden Gaseinlässen (54, 56) versehen ist, so daß zwei oder mehr aufeinanderfolgende Gaswirbel in der Wirbelkammer erzeugt werden.

25. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Länge der langen Seitenwände (32, 36) des Rechtecks das zwei- oder mehrfache der Länge der kurzen Seitenwände (34, 38) ist.

26. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Wirbelkammer mit einem Gaseinlaß pro zwei Gasauslässen in solch einer Weise ausgestattet ist, daß das Gas von einem Gaseinlaß in zwei Gaswirbel verteilt wird, von wo die Gase durch zwei getrennte Auslässe abgezogen werden.

27. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß

- die langen Wände (32, 36) der Wirbelkammer mittels einer von Wand (32) zu Wand (36) verlaufenden Trennwand (70) verstärkt sind.

28. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß

- ein Querträger (70) zwischen zwei gegenüberliegenden langen Wänden zwischen zwei Gaswirbeln zum Aussteifen der Kammerstruktur angeordnet sind,

- der Querträger gekühlt ist.

29. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem der Wirbelkammer mit dem Hauptwasser/dampf system verbunden ist.

30. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des oberen Abschnitts einer der Reaktorwände (16) als Wand (32) der Wirbelkammer dient.

31. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil des Rückführkanals (14) mit dem unteren Abschnitt der Reaktorkammer (10) über einen L-Krümmer (48) zum Zurückführen der im Abscheider (12) abgeschiedenen Feststoffpartikel in das Wirbelbett in Verbindung steht.

32. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlässe (30) für Gase Führungsplatten (40) haben zum tangentialen Einführen des Gases in die Wirbelkammer.

33. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsplatten (40) zum Bilden eines Einlaßkanals (42) gebogen sind, der sich einwärts zur Wirbelkammer hin verjüngt.

34. Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- der zumindest eine Auslaß (54, 56) für gereinigtes Gas zum Widerstehen heißer Bedingungen im Gasraum angeordnet ist, in dem er entweder keramisch oder gekühlt ausgebildet ist, und

- der Rückführkanal des Abscheiders außerhalb der Reaktorkammer liegt.