DE69302379T4

DE69302379T4 - Verfahren und vorrichtung mit einer gassperre in einer rückfuhrleitung und/oder zur strömungskontrolle einer zirkulierenden feststoffmasse in einem reaktor mit zirkulierender wirbelschicht

Info

Publication number: DE69302379T4
Application number: DE69302379T
Authority: DE
Inventors: Timo Hyppaenen
Original assignee: Ahlstrom Corp
Current assignee: Ahlstrom Corp
Priority date: 1992-05-21
Filing date: 1993-05-18
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2013-05-19
Also published as: RU2094701C1; KR950701725A; WO1993023703A1; FI922319A; DK0640199T3; FI91220C; FI922319A0; PL171975B1; ATE137322T1; JP3025012B2; EP0640199B1; RU94046062A; EP0640199A1; DE69302379D1; US5601039A; FI91220B; JPH07506663A; DE69302379T2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur versehung eines Rückführkanals mit einem Gasverschluß und/oder zur Regelung der zirkulierenden Massestromung in einem Wirbelschichtreaktor, der mit einem schlitzförmigen, vertikalen Rückführkanal ausgestattet ist, der durch zwei hauptsächlich vertikale planförmige Wandpaneele und die diese verbindenden Enden gebildet wird.
Zirkulierende Wirbelschichtreaktoren werden in einem immerfort zunehmenden Maße zur Verbrennung und Vergasung von verschiedenen Brennstoffen und als Reaktoren in verschiedenen chemischen Prozessen eingesetzt. Sie sorgen fur effektive Durchmischung von gasförmigen und festen Partikeln, was eine gleichmaßige Temperatur des Prozesses und eine fehlerlose Prozeßsteuerung zur Folge hat. In zirkulierenden Wirbelschichtreaktoren wird die Strömungsgeschwindigkeit des Gases in der Reaktions- oder Verbrennungskammer so hoch gehalten, daß ein beachtlicher Bereich des von den Gasen mitgeführten Bettmaterials aus der Kammer herausfließt. Der Großteil dieses Feststoffs, d.h. die zirkulierende Masse wird aus den Gasen in einem mit der Kammer verbundenen Partikelabscheider abgetrennt und in einem Rückführkanal dem unteren Bereich der Brennkammer wieder zugeführt.
In zirkulierenden Wirbelschichtreaktoren, wie etwa PYROFLOW- Kesseln, werden zur Abscheidung von zirkulierendem Bettmaterial aus den Gasen Zyklonabscheider benutzt. Das zirkulierende Material wird in diesem Fall uber einen Rückführkanal vom unteren Bereich des Zyklons zum unteren Bereich der Brennkammer zuruckgeführt. Der untere Teil des Ruckführkanals ist mit einem Organ versehen, das als Gasverschluß dient und die Strömung des Gases über den Rückführkanal zum Abscheider verhindert.
Die Brennstoffeingabe ist bei den zirkulierenden Wirbelschichtreaktoren oft im Rückführkanal arrangiert, wo sich der Brennstoff mit der zirkulierenden Masse wirksam vermischt. Die Brennstoffe enthalten im allgemeinen etwas flüchtige Bestandteile, die sich bereits im Rückführkanal aus dem festen Brennstoff ausscheiden. Deshalb soll die Brennstoffeingabe im Rückführkanal unterhalb des Gasverschlusses auf solche Weise arrangiert werden, daß diese flüchtigen Substanzen in die Brennkammer ohne dabei Probleme zu verursachen eingeführt werden, welches der Fall wäre, wenn sie im Rückführkanal aufwärts fließen würden.
Die Rückgewinnung von Wärme aus der zirkulierenden Masse kann bei einer konventionellen Gasverschlußkonstruktion nur mit viel Aufwand erreicht werden. Zur Regelung der Temperatur der zirkulierenden Masse im Rückführkanal ist der Rückführkanal mit einem gesonderten Wärmetauscher versehen, wie er etwa in Verbindung mit einer Wirbelschicht gegeben ist. Solch eine Anordnung beansprucht jedoch viel Platz, ist kompliziert und natürlich teuer.
In zirkulierenden Wirbelschichtkesseln wird Wärme in der Regel durch die Wasserwände der Brennkammer und durch im oberen Bereich des Kessels angeordnete Wärmetauschflächen zurückgewonnen. In einigen Fällen ist es für die Temperaturregelung jedoch wünschenswert, daß Wärme auch aus der zirkulierenden Masse zurückgewonnen werden könnte, bevor das Material vom Partikelabscheider zum unteren Bereich der Brennkammer zurückgeführt wird. In Hinsicht auf die optimale Verbrennung ist die Regelung der Temperatur in der Brennkammer wünschenswert, insbesondere, wenn mehrere Brennstoffe mit unterschiedlichen Heizwerten in ein und derselben Brennkammer verfeuert werden. Um optimale Schwefelabsorption zu erreichen, liegt die erwünschte Brennkammertemperatur im Bereich 800 bis 950 ºC. Bei den bisher bekannten Verfahren ist die Regelung der Verbrennungstemperatur problematisch, insbesondere, wenn der Heizwert des Brennstoffes oder die Kessellast stark variieren.
Die Temperaturregelung bei Kesseln gemäß dem Stand der Technik wird z.B. dadurch erreicht, daß der Luftüberschuß in der Brennkammer geändert wird, indem der Brennkammer Rauchgase rückgeführt werden, indem die Suspensionsdichte in der Brennkammer geändert wird oder indem das Bett in verschiedene funktionelle Abschnitte geteilt wird. Die Herabsetzung der Verbrennungstemperatur durch Steigerung des Luftüberschusses reduziert den Wirkungsgrad des Kessels, weil die Rauchgasverluste zunehmen und der Energiebedarf des Luftgebläses steigt. Die Rauchgasrückführung steigert das Volumen des durch den Kessel fließenden Gases und erhöht dabei den Energiebedarf des Kessels sowie die Investitions- und Betriebskosten.
Nach dem Stand der Technik wird die Temperatur des zirkulierenden Wirbelschichtkessels durch Kühlung von zirkulierender Masse oder Bettmaterial in einem getrennten externen Wärmetauscher geregelt. Für diesen Zweck hat man verschiedene Kombinationen aus Gasverschluß und Wärmetauscher vorgeschlagen. So stellt zum Beispiel die europäische Patentanmeldung EP 0 449 522 die Leitung der zirkulierenden Masse in einem Kanal vom Partikelabscheider zu einem getrennten Wärmetauscher dar, der mit einer Wirbelschicht ausgestattet ist, und in dem Wärme aus der zirkulierenden Masse zurückgewonnen wird. Zirkulierende Masse wird vom Wärmetauscher als Überlauf von seiner Wirbelschicht zur Brennkammer geleitet. Der Betrieb eines externen Wirbelschichtreaktors, der mit getrennten Kühlflächen versehen ist, ist jedoch kompliziert und schwierig zu kontrollieren. Desweiteren ist er mit zusätzlichen Investitions- und Betriebskosten verbunden. Die Vorrichtung benötigt eine erhebliche Menge Fluidisierungsgas zur Fluidisierung des Wärmetauschbetts im Wärmetauscher auf zufriedenstellende Weise. Das erforderliche Fluidisierungsgas soll druckbeaufschlagt werden, was die Betriebskosten erhöht. Ferner soll dieses zusätzliche Fluidisierungsgas, dessen Volumen von der Funktion des getrennten Wärmetauschers abhängig ist, einem geeigneten Verwendungszweck nach der Fluidisierung, z.B. einer Brennkammer zwecks Rückgewinnung von Wärme aus dem Gas zugeführt werden. Die Einführung einer variierenden Luftmenge in den Prozeß verursacht Probleme in der Steuerung des Verbrennungsprozesses selbst, wo die Fluidisierungs- und Verbrennungsluftmengen die wichtigsten Prozeßparameter sind und daher aus anderen als direkt mit dem Verbrennungsprozeß zusammenhängenden Gründen nicht geändert werden sollten. Bei zirkulierenden Wirbelschichtkesseln schließt jede bestimmte Belastung eine optimale Verteilung zwischen Primär-, Sekundär- und eventuell Tertiärluft in sich. Die Prozeßsteuerung leidet, falls diese optimale Luftverteilung, z.B. infolge von Schwankungen der von einem getrennten Wärmetauscher kommenden Luftmenge, geändert werden muß.
Man hat versucht, die Konstruktion der zirkulierenden Wirbelschichtreaktoren zu vereinfachen und sie so auszuführen, daß ein Teil der Konstruktion aus Wärmetauschflächen, z .B. Wasserrohrpaneelen, gefertigt werden könnte. Die Entwicklungsarbeit hat Konstruktionen ergeben, wo das zirkulierende Material von den Gasen in Abscheidern abgetrennt wird, die das abgeschiedene Material in einen Rückführkanal leiten, der die gleiche Breite wie die gesamte Brennkammer hat. Somit kann sich auch der Rückführkanal aus Wärmetauschflächen zusammensetzen und zur Regelung der Temperatur der zirkulierenden Masse herangezogen werden.
Die finnische Patentveröffentlichung 85416 stellt einen zirkulierenden Wirbelschichtreaktor mit einem horizontalen Zyklon dar, der im wesentlichen der gleichen Breite wie die Brennkammer ist, und als Partikelabscheider funktioniert.
Eine Vielzahl nebeneinander angeordneter, durch eine Trennwand voneinander getrennter Rückführkanäle führen vom horizontalen Zyklon zum unteren Bereich der Reaktionskammer. Die Rückführkanäle setzen sich zumindest zum Teil aus Wasserrohrwänden zusammen. Mindestens ein Teil der Rückführkanäle ist mit Mitteln zur Regelung des durch den Rückführkanal fließenden Feststoffs versehen. Zum Beispiel der obere Bereich des Rückführkanals ist mit Ventilen fürs teilweise oder vollständige Absperren des Rückführkanals versehen. Die im oberen Bereich des Rückführkanals angeordneten Ventile sind bewegliche Teile und sie sind in höchstem Maße anfällig gegenüber Abnutzung in der heißen Partikelsuspension und erfordern somit häufige Wartung.
Man hat auch vorgeschlagen, den unteren Bereich der einzelnen Rückführkanäle mit einer U-förmigen als Gasverschluß funktionierenden Fluidisierungskammer zu versehen. Diese Gasverschlüsse verhindern teilweise oder vollständig die Strömung zirkulierender Masse aus den einzelnen Rückführkanälen. Falls die zirkulierende Masseströmung in den verschiedenen Rückführkanälen unterschiedlich eingestellt ist, resultiert dies in einer ungleichmäßigen Rückführung von zirkulierender Masse zu verschiedenen Stellen im unteren Bereich der Brennkammer, was in einigen Fällen nachteilig sein kann. Temperaturunterschiede in nebeneinanderliegenden Kanälen können zu einer ungleichmäßigen Wärmedehnung der Konstruktion führen und dadurch Schäden verursachen. Die Temperaturdifferenzen sind besonders schwierig, wenn die Wärmetauschflächen der Rückführkanäle aufgrund von deren Temperaturveränderungen infolge des Masseflusses als überhitzer benutzt werden. Die Reaktorkonstruktion selbst ist einfach und zuverlässig und billig in der Herstellung. Die Konstruktion des Gasverschlusses ist auch nicht teuer.
Bei dieser Anordnung kann jedoch kein Brennstoff in den Rückführkanal eingegeben werden, weil sich der Gasverschluß im unteren Bereich des Kanals befindet. Wenn der Brennstoff in den unteren Kanal eingeführt wird, rufen seine flüchtigen Bestandteile im Rückführkanal Gasströmungen hervor. Stutzen für die Einführung von Sekundärluft in die Brennkammer auf Seite des Rückführkanals sollen durch die beiden Wände des Rückführkanals verlaufen, was die Konstruktion etwas komplizierter macht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung im Vergleich zu den oben beschriebenen zur Realisierung des Gasverschlusses und/oder Regelung der zirkulierenden Masseströmung in einem zirkulierenden Wirbelschichtreaktor vorzusehen.
Im besonderen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfachen Gasverschluß vorzusehen, der vorzugsweise einer gekühlten Konstruktion ist.
Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine möglichst optimale Rückführung der zirkulierenden Masse zum unteren Bereich der Brennkammer ohne Rücksicht auf die im Rückführkanal erfolgende Durchflußmengen- und Temperaturregelung zu ermöglichen.
Es ist ein charakteristisches Merkmal des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zur Schaffung eines Gasverschlusses und/oder Regelung der zirkulierenden Masseströmung in einem zirkulierenden Wirbelschichtreaktor, der mit einem schlitzförmigen vertikalen Rückführkanal versehen ist, daß
- die vertikale Strömung der zirkulierenden Masse im Rückführkanal in einer durch im Rückführkanal angeordnete Sperrorgane gebildeten Regulierzone geregelt wird, wobei Sperrorgane horizontal in zumindest zwei Ebenen mit solch einem Abstand h zwischen den Ebenen angeordnet sind, daß die durch ihren Fließwinkel verursachte Strömung der zirkulierenden Masse in der Regulierzone verhindert oder verlangsamt wird, und daß
- die zirkulierende Masseströmung in der durch die Sperrorgane gebildeten Regulierzone aufrechterhalten oder geregelt wird, indem der Regulierzone Fluidisierungs- oder Injektionsgas zugeführt werden.
Es ist ein charakteristisches Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß
- in der Regulierzone des Rückführkanals Sperrorgane in zumindest zwei horizontalen Ebenen angeordnet sind, welche Sperrorgane einer stationären Konstruktion sind und welche Sperrorgane die Strömung der zirkulierenden Masse durch die Regulierzone verlangsamen und/oder verhindern,
- die Sperrorgane horizontal in zumindest zwei Ebenen mit solch einem Abstand h zwischen den Ebenen angeordnet sind daß die durchden Strömungswinkel verursachte Strömung der zirkulierenden Masse in der Regulierzone wesentlich verhindert oder, verlangsamt wird, und daß
- in der Regulierzone ferner Düsen oder Eingabeöffnungen angeordnet sind zur Versorgung der Regulierzone mit Fluidisierungs- oder Injektionsgas.
Der Überstand der verschiedenen Sperrorgane zusammen bedeckt vorzugsweise die gesamte Querschnittsfläche des Rückführkanals, wobei die Sperrorgane eine freie vertikale Strömung durch die Regulierzone verhindern.
Die Sperrorgane sind im wesentlichen als stationäre Konstruktion ausgebildet, die hauptsächlich unbeweglich ist. Die Sperrorgane einer stationären Konstruktion können als horizontal angeordnete Paneele hauptsächlich in Form des Rückführkanal-Querschnitts ausgeführt sein. Die Paneele sind vorzugsweise an ihren Kanten an den Wänden des Rückführkanals befestigt. Die Paneele sind mit Öffnungen versehen, wodurch die zirkulierende Masse ihren Weg findet und dem Raum unter den Paneelen zufließt. Die Öffnungen in den verschiedenen Paneelen sind vorzugsweise so angeordnet, daß sie sich nicht direkt übereinander in aufeinanderfolgenden Paneelen befinden. Beim Durchfließen der Regulierzone muß die zirkulierende Masse daher ihre Richtung auf solche Weise ändern, daß sie zumindest teilweise horizontal von einer Öffnung zur anderen fließt, was die zirkulierenden Masseströmung verlangsamt oder völlig anhält.
Die Sperrorgane können auch von kleinen Gesimsen z.B. aus Mauerwerk gebildet werden, die nur einen Teil des Rückrührkanal-Querschnitts bedecken. Solche Gesimse sind in ein und derselben horizontalen Ebene hinter- und/oder nebeneinander beabstandet angeordnet. Dadurch werden Öffnungen zwischen den Gesimsen gebildet und müssen nicht in den Gesimsen selbst ausgeführt werden. Die Simsreihen in den verschiedenen Ebenen sind übereinander vorzugsweise auf solche Weise angeordnet, daß die Zwischenräume zwischen den Gesimsen zweier oder mehrerer Schichten nicht direkt übereinander stehen. Somit ist die zirkulierende Masse gezwungen, zum Teil horizontal von zwischen der Simsreihe in der oberen Ebene zwischen die Simsreihe in der unteren Ebene zu fließen.
Die Sperrorgane können auch einfach aus Wandpaneelen des Rückführkanals gebildet werden, indem die Wand oder Teile davon zur Mitte des Rückführkanals hin auf solche Weise gebogen wird, daß eine Schulter oder ein Vorsprung in der Wand des Rückführkanals gebildet wird. Vorsprünge können an beiden sich gegenüberliegenden Wänden vorzugsweise in verschiedenen Ebenen gebildet sein. Die Vorsprünge in einer Ebene bedecken vorzugsweise über die Hälfte des Rückführkanal-Querschnitts. Auf diese Weise bedeckt die Gesamtvorkragung zweier Vorsprünge den gesamten Rückführkanal-Querschnitt. Falls die Wände des Rückführkanals aus Wasserrohrpaneelen gefertigt sind, ist es möglich, z.B. jedes zweite Rohr des Paneels einwärts zur Mitte des Rückführkanals hin zu biegen und die gebogenen Rohre durch Flossen zu verbinden, die breiter als normal sind, um eine gasdichte Schulter zu bilden. Die unteren Schultern sind bevorzugt derart geformt, daß ihre obere Fläche zumindest teilweise horizontal ist.
Zirkulierende Masse sammelt sich auf der oberen Fläche und zwischen den Sperrorganen an, die als Paneel, Sims oder Schulter, wie oben beschrieben wurde, ausgebildet sind. Solche Ansammlungen bilden einen Feststoffhaufen oder eine Feststoffsäule in der Regulierzone. Diese Feststoffsäule bildet einen Gasverschluß im Rückführkanal und verhindert dabei, daß Gas im Rückführkanal vom unteren Bereich der Brennkammer aufwärts zum Partikelabscheider fließt.
Im Gasverschluß bestimmen die Räume zwischen den Sperrorganen in verschiedenen Ebenen, die Räume zwischen den Sperrorganen in ein und derselben Ebene oder die Öffnungen der,Sperrorgane teilweise die Höhe der aus zirkulierender Masse zusammengesezten Feststoffsäule im Gasverschluß und legen ebenfalls die Druckdifferenz über den Gasverschluß fest.
Die Strömung der zirkulierenden Masse durch die Regulierzone oder die den Gasverschluß bildende Feststoffsäule wird eingestellt, indem der Feststoff veranlaßt wird, geregelt an den Sperrorganen vorbei zu fließen, so daß eine kleine Menge Fluidisierungsgas oder Injektionsgas an passenden Stellen in der Regulierzone eingespritzt werden. Das Gas bringt den Feststoff dazu, an den Sperrorganen vorbei in den unteren Bereich des Rückführkanals und weiter in die Brennkammer zu fließen. Durch Einstellung der Gaszuführ ist es möglich, die Strömung der zirkulierenden Masse durch die Regulierzone zu regeln. Auf diese Weise lassen sich die Menge des den Rückführkanal durchfließenden Materials und die Abkühlung des Materials im Rückführkanal regulieren.
Die Fluidisierungsluft oder Injektionsluft im Gasverschluß kann auch zur Leitung der zirkulierenden Masse auf solche Weise benutzt werden, daß die zirkulierende Masse in der erwünschten Richtung an den Sperrorganen vorbeifließt, wobei der Gasverschluß als Dreiwegeventil funktioniert. Es ist möglich, die zirkulierende Masseströmung vom Gasverschluß abwärts zum unteren Bereich des Rückführkanals oder seitlich auf die Öffnung zuzuleiten, die in der für Rückführkanal und Brennkammer gemeinsamen Wand gebildet ist und durch die zirkulierende Masse dem oberen Bereich der Brennkammer zugeführt wird.
In einem erfindungsgemäßen zirkulierenden Wirbelschichtreaktor kann die Menge der zirkulierenden Masse in der Brennkammer eingestellt werden, indem ein größerer oder kleinerer Teil der zirkulierenden Masse zum Rückführkanal geleitet wird, d.h. durch Einstellung der Höhe der Feststoffsäule im Rückführkanal. Wenn die Menge der zirkulierenden Masse in der Brennkammer herabgesetzt werden soll oder wenn der Pegel der Feststoffsäule im Rückführkanal den Sollwert unterschreitet, wird das Volumen von Fluidisierungsluft oder Gebläseluft in der von den Sperrorganen gebildeten Regulierzone momentan reduziert und der Pegel der Feststoffsäule dabei erhöht. Ein Rückgang der Fluidisierung verlangsamt die Feststoffströmung an den Sperrorganen vorbei, und es sammelt sich im Rückführkanal eine größere Menge vom Partikelabscheider kommendender zirkulierender Masse an. Wenn die Menge der zirkulierenden Masse in der Brennkammer vermehrt werden soll oder wenn der Pegel der Feststoffsäule den Sollwert übersteigt, wird entsprechend die Fluidisierungsluftmenge im Raum zwischen den Sperrorganen erhöht, wobei die zirkulierende Masse mit einer höheren Geschwindigkeit im Rückführkanal fließt und der Pegel der Feststoffsäule sinkt.
Durch Einstellung von Fluidisierungsluft oder Injektionsluft in der Regulierzone des Rückführkanals ist es somit möglich, die Feststoffmenge in der Brennkammer einzustellen. Gewünschtenfalls kann Feststoff im Rückführkanal gespeichert werden. Dabei ist die Feststoffmenge in der Brennkammer regelbar. Um etwa die Wärmeübertragungskoeffizienten in der Brennkammer herabzusetzen, kann die Feststoff-Gesamtmenge vorübergehend gesenkt werden, indem ein Teil des Feststoffs oder der zirkulierenden Masse im Rückführkanal gespeichert werden.
Die Pegeleinstellung der Feststoffsäule im Rückführkanal des zirkulierenden Wirbelschichtreaktors kann auch zur Einstellung der Wärmetauschkapazität der Wärmetauscher über der Regulierzone benutzt werden. Der Wärmeübertragungskoeffizient des Wärmetauschers innerhalb der Feststoffsäule ist größer als der Wärmeübertragungskoeffizient des Wärmetauschers über dem Pegel der Feststoffsäule. Rückgewinnung von Wärme aus dem Feststoff kann somit gesteigert werden, indem der Pegel der Feststoffsäule angehoben wird, oder gesenkt werden, indem der Pegel der Feststoffsäule auf solche Weise herabgesetzt wird, daß ein zu- oder abnehmender Teil des Wärmetauschers innerhalb der Feststoffsäule bleibt. Auf diese Weise kann die Kühlung der zirkulierenden Masse mehr oder weniger effektiviert und die Temperatur der Brennkammer selbst kontrolliert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist es auch möglich, den Gasverschluß in einer hohen Ebene im Rückführkanal zu haben, wobei die Temperatur der zirkulierenden Masse geregelt werden kann, indem die zirkulierende Masseströmung kontrolliert wird und auch die Wärmetauschflächen unterhalb des Gasverschlusses, z.B. die Wasserwände des Rückführkanals, genutzt werden.
Wenn der Gasverschluß in einer hohen Ebene im Rückführkanal angeordnet ist, bringt dies auch den Vorteil mit sich, daß der Gasverschluß bei einer niedrigeren Druckdifferenz oder Feststoffsäule funktioniert als er tun würde, wenn er auf einem niedrigeren Niveau im Rückführkanal angeordnet wäre. Der Grund hierfür liegt darin, daß der im oberen Bereich der Brennkammer herrschende Druck niedriger ist. Wenn die Feststoffsäule niedriger ist, ist es leichter, den Verlauf des Prozesses in der Brennkammer stabil zu halten.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglichen auch das vollständige Anhalten der Strömung in jedem Bereich der Brennkammer durch Anhalten der Fluidisierungsluftströmung in der Regulierzone, so daß verhindert wird, daß die zirkulierende Masse vertikal oder seitlich an einer entsprechenden Stelle im Rückführkanal fließt. Auf diese Weise kann z.B. die in der Feststoffströmung enthaltene Wärme zu verschiedenen Teilen des Prozesses nach den durch die Prozeßsteuerung gesteckten Zielen verteilt werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung vermindern auch die Korrosionsrisiken von Überhitzern bei zirkulierenden Wirbelschichtkesseln, wo korrosive Substanzen enthaltende Brennstoffe verfeuert werden. Im allgemeinen stellt die Korrosion ein Problem in den heißesten Überhitzern bei der Verbrennung von Brennstoffen dar, die korrosive Substanzen wie Chlor enthalten. Die im oberen Bereich des Kessels angeordneten heißen Überhitzerflächen sind wegen der Zusammensetzung der Rauchgase höchstanfällig gegen Korrosion. Im erfindungsgemäßen zirkulierenden Wirbelschichtkessel können die heißesten Überhitzer innerhalb der zirkulierenden Masse im Rückführkanal angeordnet sein, der nur für eine sehr kleine Menge schädlicher Rauchgase oder gar keine Rauchgase zugänglich ist. Die erfindungsgemäße Einstellung ermöglicht das Halten der Feststoffsäule auf einer gewünschten Höhe im Rückführkanal. Das dem Rückführkanal zugeführte Fluidisierungsgas verdünnt auch wirksam die möglicherweise aus der Brennkammer kommenden schädlichen Gase, wobei die Zusammensetzung des Gases im Rückführkanal anders, d.h. erheblich weniger korrodierend, als die Zusammensetzung des Gases in der Brennkammer ist. Somit kann der Erfindung zufolge das Korrosionsrisiko der Überhitzer vermieden oder zumindest bedeutend verringert werden.
Im folgenden wird die Erfindung detailliert beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigt dabei
Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht durch einen zirkulierenden Wirbelschichtreaktor, wo das erfindungsgemäße Regelverfahren angewandt wird, Fig. eine vertikale Schnittansicht in Richtung der Brennkammerwand durch eine Regulierzone im erfindungsgemäßen Rückführkanal,
Fig. 3 einen Schnitt von Fig. 2 entlang Linie A-A,
Fig. 4 eine vertikale Schnittansicht in Richtung der Brennkammerwand durch eine zweite Regulierzone im Rückführkanal,
Fig. 5 eine perspektivistischen Teilschnitt von Fig. 4,
Fig. 6 eine vertikale Schnittansicht durch eine dritte erfindungsgemäße Regulierzone; und
Fig. 7 einen perspektivistischen Teilschnitt durch eine vierte erfindungsgemäße Regulierzone im Rückführkanal.
Fig. 1 stellt einen zirkulierenden Wirbelschichtreaktor 10 dar, der für die Verbrennung von z.B. Kohle oder Bio- Brennstoff anwendbar ist und bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung der zirkulierenden Masseströmung angewandt wird. Der Reaktor 10 umfaßt eine Brennkammer 12 einen Partikelabscheider 14 zur Abscheidung von zirkulierendem Material aus den aus dem oberen Bereich der Brennkammer abgezogenen Rauchgasen, und einen Rückführkanal 16 zur Rückführung des abgetrennten zirkulierenden Materials zum unteren Bereich der Brennkammer. Brennkammer, Partikelabscheider und Rückführkanal setzen sich zumindes teilweise aus Rohrwänden 17, 18 und 19 zusammen. Im unteren Bereich der Brennkammer sind die Rohrwände durch eine Schutzschicht 15 gegen Erosion geschützt.
Ungefähr in der Mitte des Rückführkanals ist eine vertikale Regulierzone oder ein Gasverschluß 20 für die zirkulierende Masse angeordnet. Diese Regulierzone oder Gasverschluß regelt die vertikale Strömungsgeschwindigkeit der zirkulierenden Masse im Rückführkanal und verhindert die Rezirkulation der Gase von der Brennkammer über den Rückführkanal zum Abscheider. Der Regulierzone wird durch im Rückführkanal angeordnete Sperrorgane 22, 24, 26 gebildet. Einige davon sind in Fig. 1, 2 und 3 gezeigt.
Die Sperrorgane können z.B. aus Stücken aus Mauerwerk gebildet sein, die in Breite im wesentlichen dem schlitzförmigen Rückführkanal entsprechen. Eine Vielzahl Sperrorgane 22 sind auf dem gleichen horizontalen Niveau nacheinander in Reihen 30, 32 und 34 angeordnet, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Sperrorgane in Reihe 30 sind mit kleinen Abständen zueinander angeordnet, so daß dazwischen Öffnungen 36, 38, 40 gebildet werden. Die zirkulierende Masse strömt durch diese Öffnungen vom Niveau der Reihe 30 zum Niveau der Reihe 32 und auf die Sperrorgane 24 zu. Die Öffnungen 36, 38, 40 sind vorzugsweise kürzer als die halbe Länge der Sperrorgane 32.
Die Sperrorgane 24 sind auch vorzugsweise nacheinander in einer Reihe mit einem Abstand zueinander angeordnet, der der Größe der Öffnungen 42, 44 entspricht. Die Sperrorgane von Reihe 30 und 32 sind so angeordnet, daß direkt unter den Öffnungen 36, 38, 40 von. Reihe 30 Sperrorgane 24 angeordnet sind, die die freie Abwärtsströmung der zirkulierenden Masse verhindern, sie aber zur Seite leiten.
Die zirkulierende Masse fließt horizontal zwischen den Reihen 30 und 32 von Sperrorganen, bis sie die Öffnungen von Reihe 32 erreicht, wodurch sie nach unten auf die nächste Ebene fließen kann.
Entsprechend sind die Sperrorgane 26 in Reihe 34 unter Reihe 32 im Verhältnis zu den Sperrorganen 24 in Reihe 32 so angeordnet, daß die zirkulierende Masseströmung ihre Richtung erneut ändern muß, wenn sie die Sperrorgane von Reihe 34 erreicht. Von Reihe 34 fließt die zirkulierende Masse durch Öffnungen 46, 48, 50 aus der Regulierzone heraus und frei zum unteren Bereich des Rückführkanals und durch Öffnung 52 weiter zum unteren Bereich der Brennkammer. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel ist der Gasverschluß relativ hoch im Rückführkanal angeordnet. Die Innenwand 19 des Rückführkanals erstreckt sich nicht zum untersten Bereich der Brennkammer, sondern die Öffnung 52 vom Rückführkanal zur Brennkammer bleibt in einem Abstand zum Boden der Brennkammer. Somit braucht die Zuführ von Sekundärflut 53 nicht durch Rückführkanal 16 und zwei Wände 18 und 19, sondern lediglich durch die Wand 18 hindurch zu erfolgen. Wenn der Gasverschluß 20 auf einem relativ hohen Niveau im Rückführkanal angeordnet ist, ist es leicht, die Zuführvorrichtung 54 für Brennstoff im Rückführkanal anzuordnen.
Die Sperrorgane sind in Reihen 30, 32 und 34 angeordnet, so daß die Sperrorgane 22 und 24 teilweise übereinander sind. Die Sperrorgane sind über die Länge 1 übereinander und die Reihen 30 und 32 mit einem Abstand h zueinander angeordnet. Das optimale Verhältnis von Länge 1 zu Abstand h ist h = 1/2 x 1. Dieses optimale Verhältnis hängt vom zirkulierenden Material ab. Das Verhältnis von Länge 1 zu Abstand h kann mit einem Winkel _, wie in Fig. 2, dargestellt werden. Allgemein genommen sind die Sperrorgane vorzugsweise so angeordnet, daß der Winkel _ kleiner ist als der Strömungswinkel des Feststoffes, wobei die natürliche Strömung des Feststoffes durch die Regulierzone beschränkt oder völlig verhindert wird.
Die Sperrorgane sind im Rückführkanal vorzugsweise so angeordnet, daß die sich auf den Sperrorganen ansammelnde zirkulierende Masse nicht von selbst auf das Niveau darunter fließt. Die sich auf den Sperrorganen 24 und 26 ansammelnde zirkulierende Masse bildet in der Regulierzone einen Gasverschluß, der den Gasfluß vom unteren Bereich des Rückführkanals zu dessem oberen Bereich verhindert. Somit ist es möglich, die zirkulierende Masseströmung durch in der Regulierzone vorgesehene Fluidisierungslüfte zu regeln.
Durch Arrangieren der Eingabe von Fluidisierungs- oder Injektionsluft/-gas durch Düsen 56, 58, 60 in die Regulierzone, wie in Fig. 3 dargestellt ist, kann die aut den Sperrorganen angesammelte zirkulierende Masse in Bewegung versetzt und zum kontrollierten Fließen abwärts durch Öffnungen 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50 veranlaßt werden. Durch passende Einstellung der Luftzuführ wird in der Regulierzone eine den Gasverschluß bildende zirkulierende Masseschicht aufrechterhalten.
Luftdüsen 56, 58, 60 können in den Sperrorganen angeordnet sein. Luftdüsen 61, 63 können auch in den Wänden des Rückführkanals angeordnet sein. Die Luftdüsen 56, 58, 60, 61 sind derart angeordnet, daß sie für passende Fluidisierung der zirkulierenden Masse auf und zwischen den Sperrorganen sorgen. Durch diese Fluidisierung wird ein Materialfluß durch die Regulierzone ermöglicht. Die Luftdüse 63 leitet zirkulierende Masse vom unteren Bereich des Rückführkanals zum unteren Bereich der Brennkammer. Die Luftdüse wird hauptsächlich zur Regelung der Feststoffmenge im Rückführkanal und somit auch des Pegels der Feststoffströmung benutzt.
Die im Rückführkanal angeordneten Sperrorgane können gekühlt sein. Die Kühlung kann z.B. durch eine Anordnung von Kühlrohren arrangiert werden, wobei sie rund um die Sperrorgane verlaufen. Der Rückführkanal kann auch mit einer gesonderten Wärmetauschfläche 65, z.B. mit einer Überhitzerfläche ausgestattet sein. Somit kann die Luftdüse 61 zur Beeinflussung der Fluidisierung von Feststoff in der Überhitzerzone und ferner des Wärmetausches im Überhitzer benutzt werden.
Fig. 4 und 5 stellen eine erfindungsgemäße Regelanordnung dar, bei welcher Anordnung die Regulierzone des Rückführkanals mit Sperrorganen 122 und 124 versehen ist, die aus aus flachem Blechmaterial gefertigten Paneelen hauptsächlich in Form und Größe des Rückführkanal Querschnitts gebildet werden. Die Sperrorgane sind mit Öffnungen 136, 138, 140 versehen, wodurch die zirkulierende Masse durch die Regulierzone fließt. Luftdüsen 156, 158, 160 sind in Verbindung mit den Öffnungen und darunter angeordnet, um für den erwünschten Durchsatz zirkulierender Masse zu sorgen. Die aus glattem Blechmaterial gefertigten Paneele können gekühlt sein. Die in verschiedenen Ebenen der Regulierzone angeordneten Paneele können vollkommen getrennte Stücke sein oder aber sie können von einem einzigen zwei- oder dreifach gebogenen Paneel gebildet werden.
Fig. 6 zeigt eine andere Weise, aus glattem Blechmaterial gebildete Sperrorgane in der Regulierzone auszuführen. Die Paneele 222 und 224 sind nur an deren einer Kante an der Wand des Rückführkanals befestigt. Ein Ende 221 des Paneels 222 ist an der Außenwand 218 des Rückführkanals befestigt, und das andere Ende 223 ist nach unten, zum Paneel 224 hin, gebogen. Eine Seite 225 des Paneels 224 ist an der Innenwand 219 des Rückführkanals befestigt, und die andere Seite 226 ist nach oben, zum Paneel 222 hin, gebogen. Auf diese Weise wird ein Labyrinth-Strömungskanal zwischen den Paneelen gebildet, und die zirkulierende Masse sammelt sich darin an. Die Strömung der zirkulierenden Masse wird in der Regulierzone auf der gewünschten Geschwindigkeit mittels Luftdüsen 256, 258 und 260 gehalten, die in den Paneelen angeordnet sind. Die zirkulierende Masse fließt zunächst abwärts die Wand 219 entlang auf das Paneel 224 zu, wovon die Luftdüsen 258 und 260 die zirkulierende Masse aufwärts zum Paneel 222 hin fluidisieren und von dort weiter abwärts die Wand 218 entlang. Die Paneele 222 und 224 können aus aus Rohren gebildeten gekühlten Wasserrohrpaneelen bestehen.
Fig. 7 stellt eine Anordnung dar, wo die Sperrorgane 322 und 324 aus Kühlrohrpaneelen, Wasser-, Verdampfer- oder Überhitzer-Rohrpaneelen gebildet werden, die die Wände 318 und 319 des Rückführkanals bilden. Es ist zum Beispiel jedes zweite Rohr des Paneels zur Mitte des Rückführkanals hin auf solche Weise gebogen, daß die gebogenen Rohre eine Schulter oder ein Sims 322, 324 in der Wand des Rückführkanals bilden. Eine Schulter wird an den beiden Wänden gebildet, und eine der Schulter ist höher als die andere, so daß ihr horizontaler Gesamt-Überstand den gesamten Querschnitt des Rückführkanals bedeckt. Die gebogenen Wasserrohre sind mit breiten Flossen 326 verbunden, so daß der Vorsprung gasdicht ist. Die Vorsprünge bringen eine Labyrinth-Strömung der zirkulierenden Masse zustande. Je horizontaler die obere Fläche 323 und 325 des Vorsprungs ist, desto mehr zirkulierende Masse sammelt sich auf den Vorpsrüngen an. Luftdüsen können auch z.B. in den Flossen 326 in der oberen Fläche des untersten Vorpsrungs und am Ende des Simses oder des oberen Vorsprungs angeordnet sein, der sich zum Rückführkanal hin herausragt. Gegen Erosion können die Kanäle durch eine Schutzauskleidung versehen werden. Um die Illustration deutlicher zu machen, hat man in Fig. 7 die Wände 318 und 319 mit Abstand zu einander eingezeichnet.

Claims

1. Verfahren zur Schaffung eines Gasverschlusses und/oder zur Regelung der zirkulierenden Masseströmung in einem zirkulierenden Wirbelschichtreaktor, der mit einem schlitzförmigen vertikalen Rückführkanal versehen ist, der durch zwei hauptsächlich vertikale planförmige Wandpaneele und die Paneele verbindenden Enden gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Gasverschluß realisiert und/oder die vertikale Strömung der zirkulierenden Masse im Rückführkanal innerhalb einer von im Rückführkanal angeordneten Sperrorganen gebildeten Regulierzone geregelt wird, wobei Sperrorgane horizontal in zumindest zwei Ebenen mit solch einem Abstand h zwischen den Ebenen angeordnet sind, daß die durch den Strömungswinkel bewirkte Strömung der zirkulierenden Masse in der Regulierzone wesentlich verhindert oder verlangsamt wird, und daß

- die zirkulierende Masseströmung in der durch die Sperrorgane gebildeten Regulierzone aufrechterhalten oder geregelt wird, indem der Regulierzone Fluidisierungs- oder Injektionsgas zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zirkulierende Masseströmung in der Regulierzone so geregelt wird, daß in der Regulierzone eine Feststoffsäule gebildet wird, welche Feststoffsäule dazu fähig ist, bei einer über das Sperrorgan herrschenden Druckdifferenz einen Gasverschluß zu bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regulierzone die zirkulierende Masseströmung regelndes Fluidisierungsgas durch im oberen Bereich der unteren Sperrorgane in der unteren von zumindest zwei Ebenen angeordnete Düsen oder Eingabeöffnungen zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regulierzone die zirkulierende Masseströmung regelndes Fluidisierungsgas durch in den unteren Sperrorganen in der oberen von zumindest zwei Ebenen angeordnete Düsen oder Eingabeöffnungen zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom zirkulierenden Material auf die Wärmetauschflächen übertragene Wärmeenergie in einem Rückführkanal einer gekühlten Konstruktion geregelt wird, indem die vertikale Strömung der zirkulierenden Masse durch die von Sperrorganen gebildete Regulierzone geregelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmeenergie ferner durch gekühlte Sperrorgane geregelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte zirkulierende Masse des Rückführkanals durch die Regulierzone fließt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zirkulierende Masse durch die Schwerkraft abwärts im Rückführkanal fließt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrorgane die vertikale abwärts gerichtete zirkulierende Masseströmung zu einer zumindest teilweise horizontalen oder einer aufwärts gerichteten Strömung in der Regulierzone umwandeln.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Brennstoff unterhalb der Regulierzone dem Rückführkanal zugeführt wird.

11. Vorrichtung zur Verwirklichung eines Gasverschlußs zur Regelung einer zirkulierenden Masseströmung in einem zirkulierenden Wirbelschichtreaktor, der mit einem schlitzförmigen Rückführkanal versehen ist, der von zwei hauptsächlich vertikalen planförmigen Wandpaneelen und die Paneele verbindenden Enden gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

- in der Regulierzone des Rückführkanals in zumindest zwei horizontalen Ebenen Sperrorgane (22, 24, 26) angeordnet sind, welche Sperrorgane einer stationären Konstruktion sind und welche Sperrorgane die Strömung der zirkulierenden Masse durch die Regulierzone verlangsamen und/oder verhindern,

- die Sperrorgarie horizontal in zumindest zwei Ebenen mit solch einem Abstand h zwischen den Ebenen angeordnet sind daß die durch den Strömungswinkel bewirkte Strömung der zirkulierenden Masse in der Regulierzone wesentlich verhindert oder verlangsamt wird, und daß

- in der Regulierzone ferner Düsen (56, 58, 60) oder Eingabeöffnungen angeordnet sind zur Einführung von Fluidisierungs- oder Injektionsgas in die Regulierzone.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge der in zwei verschiedenen Ebenen angeordneten Sperrorgane zusammen die gesamte Querschnittsfläche des Rückführkanals bedecken, wobei eine freie vertikale Strömung der zirkulierenden Masse durch die Regulierzone verhindert wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Sperrorgane aus zwei planförmigen Paneelen (122, 124) hauptsächlich in Form des horizontalen Rückführkanal-Querschnitts zusammensetzen, welche Paneele mit an verschiedenen Stellen in der Vertikalrichtung angeordneten Öffnungen (136, 138, 140) versehen sind, um die zirkulierende Masseströmung durch die Paneele zu ermöglichen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Paneele gekühlt sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das untere aus zumindest zwei Paneelen mit Fluidisierungsgasdüsen (160) unterhalb der Öffnung (136) des oberen aus zumindest zwei Paneelen versehen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrorgane (322, 324) von Wänden (318, 319) des Rückführkanals gebildet sind, indem ein glattes Wandpaneel einwärts zum Rückführkanal hin derart gebogen ist, daß in der Wand des Rückführkanals eine als Sperrorgan dienende Schulter oder.Vorsprung gebildet wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Fläche (325) des das untere der Sperrorgane in zumindest zwei Ebenen (322) bildenden Vorsprungs hauptsächlich horizontal oder in der Strömungsrichtung schräg nach oben gebogen ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein glattes Wandpaneel einer Wasserrohrkonstruktion ist und daß die Sperrorgane (322, 324) durch Biegen jedes zweiten Rohrs einwärts im Rückführkanal gebildet sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrorgane aus Simsen aus Mauerwerk gebildet sind, die in zumindest zwei Schichten solcherart angeordnet sind, daß die vertikale Strömung der zirkulierenden Masse im Rückführkanal verhindert wird.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß in den Simsen aus Mauerwerk Fluidisierungsgasdüsen angeordnet sind.