DE69408164T2

DE69408164T2 - Zentrifugalseparator in druckgefäss

Info

Publication number: DE69408164T2
Application number: DE69408164T
Authority: DE
Inventors: Timo Fin-48100 Kotka Eriksson; Timo Fin-48710 Karhula Hyppaenen; Juhani Fin-33710 Tampere Isaksson; Steven San Diego Ca 92131 Provol; Teuvo 8925 Rehco Road/San Diego Ca 92121-3269 Pulkkinen
Original assignee: Foster Wheeler Energia Oy
Current assignee: Amec Foster Wheeler Energia Oy
Priority date: 1993-12-10
Filing date: 1994-12-09
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2014-12-10
Also published as: CN1137762A; ES2113179T3; EP0732971A1; CA2176944A1; CA2176944C; WO1995015814A1; DE69408164D1; RU2107541C1; DK0732971T3; EP0732971B1; US5460788A; JPH09500323A; JP2781464B2; ATE162429T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen druckbeaufschlagten zirkulierenden Wirbelschichtreaktor, der eine Reaktionskammer und einen Fliehkraftabscheider innerhalb eines Druckgefäßes nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 umfaßt. Druckbeaufschlagte Wirbelschichtreaktoren als solche sind bekannt.
Bei jenen Reaktoren wird ein die Reaktionskammer einschließendes Druckgefäß auf überatmosphärischem Druck, d.h. einem Druck von 2 bar oder darüber, und vorzugsweise auf einem Druck von ungefähr 8 bis 16 bar (für die Feuerung) gehalten, obwohl der Druck wesentlich von Anlage zu Anlage oder innerhalb einer Anlage variiert. Ein sehr bedeutender Kostenfaktor solcher druckbeaufschlagter Reaktoren ist jedoch das Druckgefäß selbst, besonders bei zirkulierenden Wirbelschichtreaktoren, die ein größeres Feststoffvolumen als die Brodelbettreaktoren haben. Wenn das Volumen des Druckgefäßes wächst, schnellen die Kosten eher geometrisch als linear in die Höhe. Deshalb ist es wünschenswert, das Druckgefäß möglichst klein zu halten. Doch wenn der konventionelle Zyklonabscheider mit der Reaktionskammer innerhalb des Druckgefäßes genutzt wird, gibt es erheblich viel nutzlosen Raum, und das Druckgefäß muß proportional größer ausgeführt werden, um einen konventionellen Zyklon aufzunehmen. Falls der Zyklon außerhalb des Druckgefäßes angeordnet wird, müssen Durchführungen zur Leitung der heißen Rauchgase von der Reaktionskammer zum Zyklonabscheider und auch zwischen dem Partikelrückführkanal des Zyklonabscheiders und der Reaktionskammer vorgesehen werden
Die Europäische Patentanmeldung EP-A2-515878 zeigt einen druckbeaufschlagten zirkulierenden Wirbelschichtreaktor mit einer Reaktionskammer, einem konventionellen zylindrischen Fliehkraftabscheider und einem Filter, die nebeneinander innerhalb eines Druckgefäßes angeordnet sind, wie es oben besprochen wurde. Um den Abscheider herum, zwischen Reaktionskammer und Filter gibt es leeren, nutzlosen Raum. Es muß ein ziemlich großes Druckgefäß benutzt werden. Das US-Patent 4,869,207 zeigt andererseits einen druckbeaufschlagten zirkulierenden Wirbelschichtreaktor mit einer Reaktionskammer und einer damit verbundenen kreisförmigen Filterkammer. Auch hier bleibt nutzloser Raum zwischen Reaktionskammer und Filterkammer, und es muß ein ziemlich großes Druckgefäß benutzt werden.
Die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen kompakten druckbeaufschlagten zirkulierenden Wirbelschichtreaktor mit einem Zyklonabscheider oder -abscheidem innerhalb des Druckgefäßes vorzusehen, der auch keramische Filtermittel beherbergen kann, wodurch der Bedarf an einem getrennten Druckgefäß für die Filter eliminiert und damit die oben erwähnten Nachteile der bekannten druckbeaufschlagten Reaktoren behoben werden.
Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte Anordnung in einem druckbeaufschlagten Reaktor vorzusehen, die eine Mindestgröße des Druckgefäßes zuläßt.
Angesichts dieser und anderer Aufgaben ist der druckbeaufschlagte zirkulierende Wirbelschichtreaktor gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Merkmale gekennzeichnet, die im charakterisierenden Abschnitt des unabhängigen Anspruchs 1 spezifiziert sind.
Nichtkreisförmige Fliehkraftabscheider sind aus der Europäischen Patentanmeldung EP-A-48 1438 bekannt, welche Abscheider dicht an nichtkreisförmige Reaktorkammern angeschlossen werden können.
Der vorliegenden Erfindung zufolge hat man herausgefünden, daß wenn der eindeutig nichtkreisförmige Zyklonabscheider oder eine Vielzahl derer in Verbindung mit einem druckbeaufschlagten Wirbelschichtreaktor vorgesehen sind, eine viel kompaktere Anordnung erreicht wird, die eine Mindestgröße des Druckgefäßes und somit eine wirtschaftliche Konstruktion des druckbeaufschlagten Wirbelschichtreaktors zuläßt, die keine Abdichtungen für den Zyklonabscheider erfordert, weil der Zyklonabscheider direkt innerhalb des Druckgefäßes montiert werden kann.
Die kompakte Anordnung des Zyklonabscheiders im druckbeaufschlagten Wirbelschichtreaktor gemäß der vorliegenden Erfindung hat noch einen anderen Vorteil. Aufgrund seiner Kompaktheit gibt es zusätzlichen Platz für andere Konstruktionen, wodurch zum Beispiel keramische Filterelemente, wie z.B. keramische Kerzen- oder Wabenfilter im selben Druckgefäß wie Reaktionskammer und Zyklonabscheider (zum Beispiel unter- oder oberhalb des Zyklonabscheiders) montiert werden können, so daß für die Filterung von Gas kein zweites Druckgefäß vorgesehen zu werden braucht, wodurch die Kosten eines kompletten Systems wesentlich herabgesetzt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein druckbeaufschlagter Wirbelschichtreaktor mit folgenden Elementen vorgesehen: Einem im Querschnitt kreisförmigen Druckgefäß, der imstande ist, Drücken von mehr als 2 bar standzuhalten, und einen oberen und unteren Teil hat. Mitteln zur Druckbeaufschlagung des Gefäßes auf einen Druck von über 2 bar. Einer innerhalb des Druckgefäßes gebildeten Reaktionskammer, die Seitenwände und eine Decke umfaßt. Mitteln zur Einführung von Fluidisierungsgas in die Reaktionskammer. Mitteln zur Eingabe von Brennstoff in die Reaktionskammer, Mitteln zur Ableitung von heißen Verbrennungsgasen aus der Reaktionskammer. Und einem innerhalb des Druckgefäßes angeordneten Fliehkraftabscheider mit einem Einlaß, der mit den Mitteln zur Ableitung von heißen Verbrennungsgasen aus der Reaktionskammer verbunden ist, einem Gasabzug, der vom Abscheider aus dem Druckgefäß herausgeführt ist, und einem Rückführkanal zur Rückführung abgeschiedener Feststoffpartikel vom Abscheider zur Reaktionskammer. Der Fliehkraftabscheider umfaßt eine vertikale Wirbelkammer mit eindeutig nichtzylindrischen Wänden, die einen inneren Gasraum bilden, welcher Gasraum einen Querschnitt aufweist, der eindeutig nichtkreisförmig ist und eine Kreisförmigkeit größer oder gleich 1,15 hat.
Der Gasraum hat typisch einen quadratischen Querschnitt, wobei der Zyklonabscheider aus wesentlich flachen Paneelen gefertigt ist.
Der Fliehkraftabscheider kann einen ersten Fliehkraftabscheider und einen zweiten Fliehkraftabscheider umfassen, der die gleichen oben beschriebenen Grundbauteile wie der erste Abscheider hat. Die Abscheider können auf der gleichen Seite der Reaktionskammer übereinander angeordnet sein. Falls sie übereinander angeordnet sind und falls der Gasabzug bei einem Abscheider nach oben erfolgt, geschieht der Abzug beim anderen (dem oberen Abscheider) vorzugsweise nach unten so, daß es einen gemeinsamen Sammelraum gibt, der mit den Gasabzügen verbunden ist. Mehrere wesentlich identische Abscheider können in Gruppen (zum Beispiel paarweise) montiert auf den gegenüberliegenden Seiten der Reaktionskammer vorgesehen sein. Die Reaktionskammer kann eine erste Querschnittsfläche haben, und jeder der Abscheider hat eine zweite Querschnittsfläche seines Gasraums, welche Querschnittsflächen im wesentlichen gleich groß sein können.
Die Mittel zur Druckbeaufschlagung des Druckgefäßes können Mittel zur Einführung sauerstoffhaltigen Gases unter Druck in den oberen Teil des Gefäßes umfassen, um dessen Inneres zu druckbeaufschlagen, welche druckbeaufschlagende Gasströmung auch Mittel zur Einführung von Fluidisierungsgas in die Reaktionskammer in deren unterem Teil umfaßt. Auch andere druckbeaufschlagende Mechanismen können genutzt werden. In der Reaktionskammer kann eine Vielzahl von Omega-Paneelen vorgesehen sein, die sich über deren Länge erstrecken, und die Abscheider können an den Längsseiten der Reaktionskammer, parallel zu den Omega-Paneelen, montiert sein.
Ferner kann der Reaktor kann eine Vielzahl keramischer Filtermittel, etwa Kerzen-, Monolith- oder Wabenfilter, die in einer Stützkonstruktion innerhalb des Druckgefäßes montiert sind und einen Einlaß für schmutziges Gas, einen Reingasabzug und einen Ascheabzug umfassen; welcher Einlaß für schmutziges Gas mit dem Gasabzug des Abscheiders verbunden ist. Der Begriff "keramisches Filtermittel", wie er in der Spezifikation und den Ansprüchen gebraucht wird, bedeutet konventionelle keramische Kerzen-, Monolith- oder Wabenfilter oder künftig entwickelte verbesserte Filter, die Partikel aus Hochtemperaturgasen, wie z.B. Rauchgasen von Wirbelschichtreaktoren, abzuscheiden vermögen. Eine Menge verschiedener Anordnungen kann dazu benutzt werden, die keramischen Filtermittel unterzubringen. Bei einer Anordnung ist der Abscheider an einer Seite der Reaktionskammer mit einer Seitenwand derselben verbunden montiert, und der Gasabzug ist nach unten gerichtet, und die Stützkonstruktion und die Filter der keramischen Filtermittel sind an derselben Seitenwand der Reaktionskammer wie der Abscheider unter dem Abscheider montiert, wobei die Filter der Filtermittel im allgemeinen horizontal liegen.
Gemäß einer anderen Anordnung ist der Abscheider an einer Seite der Reaktionskammer mit einer Seitenwand derselben verbunden montiert, der Gasabzug nach oben gerichtet und die Stützkonstruktion und die keramischen Filtermittel oberhalb der Reaktionskammerdecke und über dem Abscheider montiert. Einer noch anderen Anordnung zufolge ist der Abscheider innerhalb des von der Reaktionskammer gebildeten Raums montiert, der Gasabzug nach oben gerichtet und die Stützkonstruktion und die keramischen Filtermittel oberhalb der Reaktionskammerdecke und über dem Abscheider montiert. Alternativ können Kerzenoder Monolithfilter vertikal in dem auf einer ersten Seite der Reaktionskammer vorgesehen Einlaß für schmutziges Gas, und der Ascheabzug auf einer zweiten, gegenüberliegenden Seite der Reaktionskammer angeordnet sein, wobei sich ein abwärts geneigter Boden von der ersten zur zweiten Seite erstreckt. In dieser Situation können die Kerzen- oder Monolithfilter unterschiedlicher Längen sein, wobei sie nah der ersten Seite kurz und nah der zweiten Seite länger sind.
Die Aufgaben der Erfindung gehen aus einer Durchsicht der ausführlichen Beschreibung der Erfindung und den beigefügten Ansprüchen hervor.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

FIGUR 1 ist eine teilweise geschnittene und teilweise aufgerissene Längsansicht eines beispielhaften druckbeaufschlagten Wirbelschichtreaktors;
FIGUR 2 ist eine Schnittansicht des Reaktors aus FIGUR 1 entlang Linie 2 - 2 derselben;
FIGUR 3 ist eine der von FIGUR 2 ähniiche Ansicht, die jedoch eine etwas andersartige Ausführungsform des Reaktors zeigt;
FIGUR 4 ist eine perspektivische Draufsicht auf den Reaktor von FIGUR 3, die das Druckgefäß selbst durch strichlierte Linie zeigt;
FIGUR 5 ist eine schematische Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung;
FIGUR 6 ist eine detaillierte Schnittansicht einer Modifikation der Ausführungsform von FIGUR 5, die eine andersartige Anordnung zur Verbindung der Gasabzüge der Fliehkraftabscheider zeigt;
FIGUR 7 ist eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform eines Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung, die verschiedene dimensionelle Beziehungen zwischen Reaktionskammer, Zyklonabscheidem und Druckgefäß zeigt zur Anwendung bei Berechnungen zur Optimierung der Reaktionskammer-Querschnittsfläche für einen gegebenen Druckgefäß-Durchmesser;
FIGUR 8 ist eine schematische Seitenansicht eines anderen beispielhaften Reaktors gemäß dem vorliegenden Erfindung, die im Druckgefäß, nah am Zyklonabscheider- Gasabzug montierte Gasfilterelemente zeigt;
FIGUR 9 ist eine detaillierte Ansicht des Reaktors aus FIGUR 8, die die einzelnen Filterelemente in Form keramischer Filterkerzen oder -monolithen zeigt;
FIGUR 10 ist eine der von FIGUR 8 ähnliche Ansicht, jedoch einer noch anderen Ausführungsform des Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung; und
FIGUR 11 ist eine schematische Seitenansicht einer letzten beispielhaften Ausführungsform eines druckbeaufschlagten zirkulierenden Wirbelschichtreaktors gemäß der vorliegenden Erfindung.

AUSFUHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In FIGUR 1 und 2 ist durch das Bezugszeichen 10 generell ein druckbeaufschlagter zirkulierender Wirbelschichtreaktor dargestellt. Der Reaktor 10 umfaßt ein Druckgefäß 11, das in sich eine Reaktionskammer 12 wie auch einen oder mehrere (zum Beispiel in FIGUR 1 und 2 zwei) Fliehkraftabscheider (Zyklone) 13 aufweist. Das Druckgefäß 11, das typisch aus Spezialstahl gefertigt ist, ist vom Querschnitt her kreisförmig (wie aus FIGUR 2 zu ersehen ist) und imstande, überatmosphärischen Drücken über 2 bar (zum Beispiel ungefähr 8 bis 16 bar) standzuhalten. Das Gefäß 11 hat einen oberen Teil 14 und einen unteren Teil 15.
Zur Druckbeaufschlagung des Gefäßes 11 auf einen Druck von mehr als 2 (zum Beispiel ungefähr 8 bis 16) bar sind Mittel vorgesehen. Die Druckbeaufschlagung kann erfolgen, indem sauerstoffhaltiges Gas unter Druck in Leitung 16 (siehe FIGUR 1) in den oberen Teil 14 des Gefäßes 11 hineingepreßt wird, und weil das Gefäß 11 druckdicht ist, erreicht der gesamte Innenraum des Gefäßes im wesentlichen den Druck des druckbeaufschlagenden Gases 16. Ist das Gas 16 ein sauerstoffhaltiges Gas, kann es auch zum Aufwärtsfließen in die Reaktionskammer 12 verwendet werden, um darin als Verbrennungs- und/oder Fluidisierungsgas zu dienen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Stutzen 17 im unteren Teil der Kammer 12 (siehe FIGUR 1) zur Einführung von Fluidisierungsgas fürs Aufrechterhalten einer Wirbelschicht in der Kammer 12 vorgesehen sein. Ebenfalls sind konventionelle Mittel vorgesehen zur Aufgabe von Brennstoff in die Reaktionskammer (in FIGUR 1 schematisch durch 18 angedeutet) und zur Versorgung der Kammer mit anderen Materialien, wie z.B. Absorbentia (zum Beispiel Kalkstein) fürs Absorbieren von Schadstoffen, wie durch 19 schematisch angedeutet ist. Beim Brennstoff kann es sich um Kohle, Öl, Biomasse oder andere kohlenstoff- oder wasserstoffhaltige, typisch in fester Partikelform vorliegende Brennstoffe oder eine Aufschlämmung handeln, die aus Brennstoff durch Beimengung von zum Beispiel Wasser und Absorbentia hergestellt ist. Ferner ist ein konventioneller Ascheabzug aus der Reaktionskammer 12 vorgesehen, wie schematisch bei 20 in FLGUR 1 angedeutet ist.
Jeder Abscheider 13 hat eine vertikale Wirbelkammer 21 (siehe FIGUR 1) mit eindeutig nichtzylindrischen Wänden 22, die eine Wirbelkammer oder einen inneren Gasraum mit einem eindeutig nichtkreisförmigen Querschnitt aufweist. Typisch hat der Raum eine Kreistörmigkeit größer eins, vorzugsweise größer 1,1 und noch bevorzugter größer oder gleich 1,15. Die bevorzugte Konstruktion, wie sie in FIGUR 1 und 2 dargestellt ist, ist ein viereckiger (zum Beispiel quadratischer) Querschnitt der Kammer 21, wobei die Abscheider 13 hauptsächlich aus wesentlich flachen Paneelen konstruiert sind. Diese Anordnung sieht nicht nur eine kompaktere Konstruktion vor, sondern dadurch können auch die Abscheider 13 billiger als kreisförmige, konventionelle Abscheider gebaut werden.
Jeder Abscheider 13 hat auch ein Mittenrohr 23 in seinem Inneren und einen Rückführkanal 24 zur Rückführung abgeschiedener Feststoffhartikel vom Abscheider 13 zur Reaktionskammer 12. Ein Gasabzug 25 ist aus Kammer 21 konzentrisch zum Mittenrohr 23 vorgesehen, und bei der in FIGUR 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ist der Gasabzugsstutzen 25 durch eine entspechende Abdichtung durch den oberen Teil 14 des Druckgefäßes 11 herausgeführt.
Konventionell können verschiedene wassergekühlte Paneele für die Bauteile innerhalb des Reaktors 10 vorgesehen sein, um Wärme aus der Verbrennung innerhalb der Reaktionskammer 12 zurückzugewinnen und eine lange Standzeit der Bauteile zu gewährleisten. Zum Beispiel zur Längserstreckung 28 der Reaktionskammer 12 parallele (zur Breitendimension 29 derselben senkrechte) Omega-Paneele 27 der konventionellen Konstruktion können zur Rückgewinnung von Wärme aus Kammer 12 vorgesehen sein. Konventionelle wassergekühlte Paneele können ebenfalls in Verbindung mit den Abscheidern 13 vorgesehen sein, wobei zum Beispiel die Paneele 22 aus Wasserrohren gebildet sind.
Bei der Ausführungsform von FIGUR 1 und 2 sind zwei Zyklonabscheider 13 nebeneinander an einer Längswand 28 der Reaktionskammer 12 montiert vorgesehen. Dies ist bloß eine beispielhafte Ausführungsform, und zahlreiche andere Anordnungen sind ebenso gut möglich. So zeigen etwa FIGUR 3 und 4 einen anderen Reaktor 10' gemäß der Erfindung, welcher Reaktor 10' bis auf die Anzahl der Zyklonabscheider mit dem Reaktor 10 identisch ist, weshalb die Bezugszeichen in FIGUR 3 und 4 für vergleichbare Bauteile mit der Ausführungsform in FIGUR 1 und 2 identisch sind.
FIGUR 5 und 6 stellen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar, die die gleichen Grundbauteile wie die Ausführungsformen in FIGUR 1 bis 4, aber unterschiedliche Anordnungen der Zyklonabscheider, aufweisen.
FIGUR 5 stellt einen Reaktor 48 gemäß der vorliegenden Erfindung dar, der ein Druckgefäß 49 mit einer darin angeordneten Reaktionskammer 50 und zwei übereinander angeordneten Zyklonen 51 und 51' umfaßt, deren jeder seinen eigenen Einlaß 52 bzw. 52' für heiße Verbrennungsgase hat. Weil die Zyklone 51 und 51' vertikal aufgestapelt sind, reicht ein noch kleinerer Raum aus als bei einigen der anderen Ausführungsformen Die beiden Gasabzüge 53 und 53, erstrecken sich bei dieser Ausführungsform aufwärts von den Zyklonen 51 bzw. 51'.
FIGUR 6 ist eine detaillierte Schnittansicht eines Reaktors 48', der dem Reaktor 48 ähnlich ist mit der Ausnahme, daß in diesem Fall der Gasabzug 53, des oberen Zyklons 51' nach unten gerichtet ist, während der Gasabzug 53 des unteren Zyklons 51 nach oben gerichtet ist. Die Gasabzüge 53, 53' führen zu einem gemeinsamen Sammelraum 54, der vom übrigen druckbeaufschlagten Inneren 55 des Druckgefäßes 49 getrennt ist und durch den Stutzen 56 führt, der gegenüber dem Druckgefäß 49 abgedichtet ist und die Heißgase von den Zyklonen 51, 51' einem Partikelfilter oder einer anderen konventionellen Vorrichtung zuführt.
FIGUR 7 stellt schematisch ein Druckgefäß 60 mit Hinweisen auf die Abmessungen dar, um zu illustrieren, wie eine optimierte Größe der Reaktionskammer für ein Druckgefäß 61 mit bestimmtem Durchmesser mathematisch errechnet werden kann. Das Druckgefäß 61 hat einen inneren Durchmesser D, während die Druckkammer 62 eine Breitendimension w und eine Längendimension L hat. Eine Vielzahl von Zyklonabscheidern 63 ist auf einer jeden Seite der Kammer 62 dargestellt, wobei x Abscheider 63 vorgesehen sind, deren jeder mit einem quadratischen Querschnitt mit den Seitendimensionen d dargestellt ist.
Wie aus FIGUR 7 hervorgeht, ist die Querschnittsfläche der Reaktionskammer 62 gleich L mal w, während die Fläche der Wirbelkammern des Zyklons 63 gleich x (in diesem Fall 8) mal d² ist. Weil es wunschenswert ist, daß die Fläche der Reaktionskammer 62 der Fläche der Wirbelkammern 63 gleicht, treffen folgende Gleichungen zu:
Somit kann durch Ersetzen von x und "D" durch die gewünschten Werte die maximale Fläche der Reaktionskammer 62 mathematisch berechnet werden. Natürlich wird die maximale Reaktionskammerfläche jedoch nicht immer ausgenutzt, weil es aufgrund anderer Faktoren, wie z.B. der Einlässe und Auslässe des Druckgefäßes, Anordnung von verschiedenem Zubehör usw., wirtschaftlichere und kostengunstigere Lösungen geben kann, doch die Berechnung der Maximalgröße der Reaktionskammer 62 lohnt sich in vielen Fällen.
Die Erfindung ist ebenfalls und besonders vorteilhaft, indem man dadurch auf ein gesondertes Druckgefäß zur Filterung der durch die Auslässe des Fliehkraftabscheiders abgezogenen Gase, wie etwa durch Nutzung keramischer Filtermittel, wie sie z.B. in den US-Patenten 5,114,581 und 4,793,292 dargestellt sind, verzichten kann. Solche Anordnungen ergeben ein größeres Filterflächenolumen-Verhältnis, das den für eine Filtereinheit erforderlichen Raum verringert und das Montieren der Einheiten direkt innerhalb eines Druckgefäßes ermöglicht, wobei namentlich die Kombination aus Druckgefäß und quadratischen Zyklonen gemäß der vorliegenden Erfindung ausreichend Innenraum bietet, um das Montieren der keramischen Filter innerhalb desselben Druckgefäßes wie Reaktionskammer und Zyklon zu erlauben.
Die FIGUREN 8 und 9 zeigen schematisch und etwas detaillierter eine Ausführungsform eines druckbeaufschlagten zirkulierenden Wirbelschichtreaktors gemäß der vorliegenden Erfindung dar, der keramische Filterelemente umfaßt. Innerhalb des Druckgefäßes 66 befinden sich die Reaktionskammer 67, ein oder mehrere Zyklone 68 mit quadratischen Querschnitt, die auf einer oder den gegenüberliegenden Seiten der Reaktionskammer 67 montiert sind, ein Partikelrückführkanal 69 vom Zyklon 68, und der Gasabzug 70 vom Zyklon 68, der zu den keramischen Filtermitteln 71 führt. Die einzelnen Filter der keramischen Filtermittel sind in FIGUR 9 durch das Bezugszeichen 72 dargestellt und im allgemeinen horizontal liegend, mittels einer Stützkonstruktion 73 montiert dargestellt und weisen auf ihrer einen Seite einen (mit dem Stutzen 70 in Verbindung stehenden) Einlaß 74 für schmutziges Gas und auf ihrer gegenüberliegenden Seite eine Reingaskammer 75, die mit dem das Druckgefäß 66 durchdringenden Reingasabzug 76 in Verbindung steht und zur weiteren Behandlung (zum Beispiel einer Turbine zur Rückgewinnung von Wärmeenergie daraus) führt. Ein Ascheabzug, zum Beispiel für Flugasche oder andere Partikel, ist bei 77 im unteren Teil der Kammer 74 für schmutziges Gas vorgesehen, der zur Entfernung von Partikeln dient, die aus dem die Filter 72 durchfließenden Gas abgeschieden sind. Die Partikel werden typisch durch Rückspülung des Filters 72 auf konventionelle Art, wie sie z.B. das US- Patent 5,242,472 zeigt (hier in den Zeichnungen nicht dargestellt), abgelöst.
Wie aus FIGUR 9 zu ersehen ist, wird Luft unter Druck bei 78 in den oberen Teil des Druckgefäßes 66 eingeführt und fließt um die Reaktionskammer 67 herum, um als Fluidisierungsluft, wie durch 79 angedeutet, aufwärts zu fließen, werden Brennstoff und Absorbentia oder dergleichen der Reaktionskammer 67, wie bei 80 angedeutet, zugegeben und Asche durch Stutzen 81 im unteren Teil der Reaktionskammer 67 zur Entsorgung ausgetragen. Bei Nutzung der Erkenntnisse der vorliegenden Erfindung ist es kostengünstig, ausreichend Filterfläche innerhalb des Reaktor-Druckgefäßes 66 vorzusehen, um alles durch einen innerhalb des Gefäßes 66 vorgesehenen Reaktor wesentlich optimaler Größe erzeugte Gas wirksam zu Filtern.
FIGUR 10 stellt eine etwas andersartige Version des Reaktors aus FIGUR 8 und 9. Bei dieser Ausführungsform sind die mit jenen in der Ausführungsform von FIGUR 8 und 9 vergleichbaren Bauteile durch das gleiche Bezugszeichen, jedoch mit einem angehängten "'", dargestellt. Der Hauptunterschied zwischen Reaktor 65' und Reaktor 65 liegt darin, daß der Gasabzug 70' des Zyklons 68' aufsteigend ist und die einzelnen Filter der keramischen Filtermittel 71' oberhalb von Reaktionskammer 67' und Zyklon 68' montiert sind.
FIGUR 11 stellt eine andere Ausführungsform eines druckbeaufschlagten zirkulierenden Wirbelschichtreaktors 80 gemäß der vorliegenden Erfindung, wo der Zyklon und die keramischen Filter auf andere Weise positioniert sind. FIGUR 11 zeigt schematisch den Zyklon 81, der nicht nur innerhalb des druckbeaufschlagten Gefäßes 82, sondern auch innerhalb des von der Reaktionskammer 83 selbst gebildeten Raums positionert ist, wobei Heißgase nah an der Decke der Reaktionskammer durch den Einlaß 84 in den Zyklon 81 geleitet werden, das Gas nach Abscheidung der Partikel durch den Gasabzug 85 innerhalb des Mittenrohrs herausfließt, während die abgeschiedenen Partikel in Kanal 86 dem unteren Teil der Reaktionskammer 83 ruckgeführt werden. Der Zyklon 81 ist an einer Stützkonstruktion 86 montiert, die einen Sammelraum 87 bildet, der als Einlaß für die länglichen (zum Beispiel Kerzenoder Monolith-) Filter für schmutziges Gas dient, die allgemein durch 88 dargestellt sind. Die Kerzen- oder Monolithtilter 88 sind oberhalb eines geneigten Bodens 89 montiert und erstrecken sich vertikal, abgestützt im oberen Teil durch eine Stützplatte 90, wobei der Sammelraum 91 für Reingas auf der gegenüberliegenden Seite der Filter 88 im Verhältnis zum Sammelraum 87 für schmutziges Gas angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform sind die länglichen, am nächsten zum Eintritt 94 vom Sammelraum 87 befindlichen Filter am kürzesten und werden progressiv länger, wobei das Längste 95 auf der gegenüberliegenden Seite des Reaktors 83 im Verhältnis zu den ersten Filtern 93 ist. Der Ascheabzugskanal 96 für die durch die Filter 88 abgeschieden Partikel ist auf der gegenüberliegenden Seite des Reaktors 83 im Verhältnis zum Eintritt 94.
Rückspülimpulseinheiten zur periodischen Reinigung die Filter 88 sind generell durch das Bezugszeichen 92 dargestellt. Die Einheiten 92 sind Impulsventile, die das druckbeaufschlagte, bei 97 eingeführe Gas nutzen und, wenn sie geöffnet werden, die Filter 88 rückspülen. Ein Ende eines jeden Ventils 92 ist zum Raum 98 offen, während das andere Ende zum Inneren des Filters 88 offen ist. Der Gasdruck in dem die Ventile 92 umgebenden Raum 98 im Vergleich zu dem die Filter 88 umgebenden Druck ist für Rückspülzwecke ausreichend. Diese Anordnung ist höchst vorteilhaft, weil sie den Reaktormantel 80 durchdringende Leitungen für komprimiertes Gas und einen externen druckbeaufschlagten Behälter eliminert.
Der druckbeaufschlagte zirkulierende Wirbelschichtreaktor kann einen oder mehrere im allgemeinen identische Abscheider, wie sie in FIGUR 7 dargestellt werden, umfassen, wobei die Reaktionskammer eine erste Querschnittsfläche hat, und wobei jeder der einen oder mehreren Abscheider eine zweite Querschnittsfläche seines Gasraums hat, und wobei gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die erste Querschnittsfläche der Summe der zweiten Querschnittsflächen wesentlich gleich ist. Wenn man dem zufolge D als lichten Durchmesser des Druckgefäßes, d als Länge einer jeden Seite der Gaskammer eines jeden Abscheiders, und L und w als Länge bzw. Breite der Reaktionskammer nimmt, kann die optimierte Fläche der Reaktionskammer für einen bestimmten Durchmesser D des Druckgefäßes durch Lösen der folgenden Gleichungen ermittelt werden:
Um das Reaktorsystem noch kompakter zu arrangieren, werden der Fliehkraftabscheider und die Reaktionskammer, wenn sie als Dampferzeuger mit gekühlten Wänden dienen, die aus einer Vielzahl gasdicht montierter Rohre gefertigt sind, vorzugsweise mit demselben Dampferzeugungskreislauf verbunden.
Somit leuchtet es ein, daß der vorliegenden Erfindung zufolge ein kompakter, kostengünstiger, effizienter druckbeaufschlagter zirkulierender Wirbelschichtreaktor geschaffen worden ist. Während die Erfindung hier in einer Ausführungsform dargestellt und beschrieben wurde, die man derzeit für die praktischste und bevorzugteste hält, leuchtet es denjenigen mit Fachkenntnissen ein, daß sich viele Modifikationen im Rahmen des Schutzumfangs der Erfindung machen lassen, welcher Schutzumfang mit der weitesten Auslegung der beigefügten Ansprüche übereinstimmen soll, um alle entsprechenden Konstruktionen und Vorrichtungen zu erfassen.

Claims

1. Druckbeaufschlagter zirkulierender Wirbelschichtreaktor (10, 48, 65, 80), bestehend aus:

- einem Druckgefäß (11, 49, 66, 82), das im Querschnitt kreisförmig und imstande ist, Drücken über 2 bar standzuhalten, und einen unteren und einen oberen Teil aufweist;

- Mitteln zur Druckbeaufschlagung des Gefäßes auf einen Druck von über 2 bar;

- einer Reaktionskammer (12, 50, 67, 67', 83), die innerhalb des Druckgefäßes gebildet ist und Seitenwände und eine Decke umfaßt;

- Mitteln zur Einführung von Fluidisierungsgas in die Reaktionskammer;

- Mitteln zur Eingabe von Brennstoff in die Reaktionskammer;

- Mitteln zur Ableitung von heißen Verbrennungsgasen aus der Reaktionskammer;

- einem ersten Fliehkraftabscheider (13, 51', 68, 68', 81), der innerhalb des Druckgefäßes angeordnet ist, welcher erste Abscheider einen mit den Mitteln zur Ableitung von heißen Verbrennungsgasen aus der Reaktionskammer verbundenen Einlaß (52', 84), einen Gasabzug (25, 53', 70, 70', 85 ) aus dem ersten Abscheider, und einen Rückführkanal zur Rückführung abgeschiedener Feststoffpartikel vom ersten Abscheider zur Reaktionskammer aufweist; welcher erste Abscheider ferner eine vertikale Wirbelkammer umfaßt, die eindeutig nichtzylindrische Wände hat, die einen inneren Gasraum bilden, welcher Gasraum einen Querschnitt hat, der eindeutig nichtkreisförmig ist und eine Kreisförmigkeit größer oder gleich 1,15 aufweist;

dadurch gekennzeichnet daß der Reaktor zusätzlich umfaßt

- einen zweiten innerhalb des Druckgefäßes montierten Fliehkraftabscheider (51), welcher zweite Fliehkraftabscheider einen mit den Mitteln zur Ableitung von heißen Verbrennungsgasen aus der Reaktionskammer verbundenen Einlaß (52), einen vom zweiten Abscheider aus dem Druckgefäß herausführenden Gasabzug (53), und einen Rückführkanal zur Rückführung abgeschiedener Feststoffpartikel vom zweitem Abscheider zur Reaktionskammer umfaßt; welcher zweite Abscheider des weiteren eine vertikale Wirbelkammer aufweist, die eindeutig nichtzylindrische Wände hat, die einen inneren Gasraum bilden, welcher Gasraum einen Querschnitt hat, der eindeutig nichtkreisförmig ist und eine Kreisförmigkeit größer oder gleich 1,15 hat; oder

- keramische Filtermittel (71, 71', 88), die eine Vielzahl einzelner Filter (72, 93, 95) aufweisen, die in einer Stützkonstruktion innerhalb des Druckgefäßes montiert sind und einen Einlaß (74, 87) für schmutziges Gas, einen Auslaß (76, 76', 91) für reines Gas und einen Ascheabzug aufweisen, welcher Einlaß für schmutziges Gas mit dem Gasabzug des ersten Fliehkraftabscheiders verbunden ist; und daß

- der erste Abscheider (13, 51', 68, 68', 81) und

- der zweite Abscheider (51) oder die keramischen Filtermittel (71, 71', 88), auf der gleichen Seite der Reaktionskammer, übereinander positioniert, angeordnet sind.

2. Druckbeaufschlagter zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor einen ersten (51') und einen zweiten Fliehkraftabscheider (51) umfaßt, welcher erste und zweite Abscheider wesentlich identisch sind.

3. Druckbeaufschlagter zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Gasabzug (53') des ersten Abscheiders nach unten erfolgt,

- der Gasabzug (53) des zweiten Abscheiders nach oben erfolgt, und

- die Abscheider einen gemeinsamen Sammelraum (54) haben, der mit den Gasabzügen derselben verbunden ist.

4. Druckbeaufschlagter zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor einen ersten Abscheider (68) und keramische Filtermittel (71) umfaßt, die übereinander angeordnet sind,

- der erste Abscheider an einer Seite der Reaktionskammer, mit einer Seitenwand derselben verbunden, montiert ist, wobei der Gasabzug des ersten Abscheiders nach unten gerichtet ist, und

- die keramischen Filtermittel Monolith- oder Wabenfilter umfassen, die unterhalb des ersten Abscheiders montiert sind.

5. Druckbeaufschlagter zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor einen ersten Abscheider (68', 81) und keramische Filtermittel (71', 88) umfaßt, die übereinander angeordnet sind,

- welcher erste Abscheider (68', 81) an einer Seite der Reaktionskammer, mit einer Seitenwand derselben verbunden, montiert ist, wobei der Gasabzug des ersten Abscheiders nach oben gerichtet ist, und

- die keramischen Filtermittel (71', 88) oberhalb des ersten Abscheiders montiert sind.

6. Druckbeaufschlagter zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die keramische, Monolith- oder Waben-Filterelemente einschließenden Filtermittel (71') oberhalb der Reaktionskammerdecke montiert sind.

7. Druckbeaufschlagter zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß der Reaktor einen ersten Abscheider (68', 81) und keramische Filtermittel (88) umfaßt, die übereinander angeordnet sind,

- welcher erste Abscheider (81) innerhalb des durch die Reaktionskammer (83) gebildeten Raums montiert ist, und welcher Gasabzug (85) des ersten Abscheiders nach oben gerichtet ist, und

- die Stützkonstruktion und die darin montierten Filter (88) oberhalb der Reaktionskammerdecke (86) und oberhalb des Abscheider montiert sind.

8. Druckbeaufschlagter zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Filter (88) länglich und vertikal oberhalb der Decke angeordnet sind, und

- der Einlaß der keramischen Filtermittel für schmutziges Gas auf einer ersten Seite der Reaktionskammer angeordnet ist, und

- der Ascheabzug (96) der keramischen Filtermittel auf einer zweiten,

gegenüberliegenden Seite der Reaktionskammer angeordnet ist.

9. Druckbeaufschlagter zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß

- die keramischen Filtermittel (88) ferner einen nach unten geneigten Boden (89) umfassen, der sich von der ersten zur zweiter Seite erstreckt, und

- die länglichen Filter unterschiedlicher Längen sind, so daß sie kurz (93) nah der ersten und länger (95) nah der zweiten Seite sind.

10. Druckbeaufschlagter zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Druckbeaufschlagung des Druckgefäßes Mittel (78) zur Einführung sauerstoffhaltigen Gases unter Druck in den oberen Teil des Gefäßes (66) umfassen, um dessen Inneres zu druckbeaufschlagen, welche druckbeaufschlagende Gasströmung auch Mittel umfaßt zur Einführung von Fluidisierungsgas (79) in die Reaktionskammer in deren unterem Teil.

11. Druckbeaufschlagter zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Reaktionskammer (12) eine Länge (L) und eine Breite (w) hat,

- der Reaktor ferner eine Vielzahl wassergekühlter Paneele (27), wie z.B. Omega- Paneele, umfaßt, die in der Reaktionskammer (12) vorgesehen sind und sich über deren Länge erstrecken; und daß

- identische Abscheider (13) auf den gegenüberliegenden Seiten der Reaktionskammer- Breite an den Längswänden der Reaktionskammer parallel zu den wassergekühlten Paneelen montiert sind.