DE69614513T2

DE69614513T2 - Zentrifugalseparatoranordnung und methode zum abtrennen von teilchen aus heissem gas

Info

Publication number: DE69614513T2
Application number: DE69614513T
Authority: DE
Inventors: Timo Hyppaenen
Original assignee: Foster Wheeler Energia Oy
Current assignee: Amec Foster Wheeler Energia Oy
Priority date: 1995-03-13
Filing date: 1996-03-07
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2016-03-08
Also published as: JPH10510215A; AU4833696A; CN1067912C; CN1178481A; WO1996028237A1; EP0814888B1; KR100213509B1; PL322206A1; CA2215040A1; JP2963771B2; US5738712A; DK0814888T3; DE69614513D1; PL181176B1; ATE204198T1; KR19980703034A; CA2215040C; RU2134146C1; EP0814888A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fliehkraftabscheideranordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zur Abtrennung von Partikeln aus einem Gasstrom gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 15.
Im Einzelnen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Fliehkraftabscheider umfassend:
- eine Wirbelkammer, die aus einer Vielzahl wesentlich planarer Wände, eine erste Wand eingeschlossen, gebildet wird, welche Wirbelkammer einen internen Gasraum mit einem eindeutig nichtkreisförmigen Querschnitt hat,
- zumindest einen, in der ersten Wand ausgebildeten Gaseinlass zur Einführung von Gas samt mitgeführten Partikeln in den Gasraum und zumindest einen Gasauslass für gereinigtes Gas, der sich von der Wirbelkammer ausgeht und mit dem Gasraum in Verbindung steht, um zumindest einen Gaswirbel im Gasraum zustande zu bringen, und
- zumindest einen Auslass für abgeschiedene Partikel aus dem Gasraum.
Das US-Patent 5,281,398 (der EP-A-0 481 438 entsprechend) stellt einen solchen Fliehkraftabscheider dar. Von Heißgasen mitgeführte Partikel werden in einer Wirbelkammer abgeschieden, die durch eine Vielzahl wesentlich planarer Platten oder Paneele vorzugsweise eines quadratischen Querschnitts oder einer anderen polygonalen Form gebildet wird. Solch ein Abscheider hat zahlreiche Vorteile gegenüber konventionellen Fliehkraftabscheidern, insbesondere wegen der einfachen Konstruktion, der Kosten u. ä. Das Gas wird in die Wirbelkammer durch ein oder mehrere Gaseinlässe in der Seitenwand eingeführt, um das Gas tangential in die Wirbelkammer zu leiten, um die Verwirbelung oder Herumwirbelung des Gases beim Einführen zu maximieren. Solche Fliehkraftabscheider werden optimal im Zusammenhang mit Reaktoren mit zirkulierender Wirbelschicht genutzt, lassen sich aber auch - wie in einem Artikel mit dem Titel "Pyroflow Contact: A Second Generation CFB Boiler by Ahlstrom Pyropower", Gamble et al. Fluidized Bed Combustion, Band 2, ASME, 1993, Seiten 751-760 beschrieben - kommerziell bei Kesseln anwenden.
Weil solche Abscheider mit planaren Wänden, US 5,281,398, sehr vorteilhaft sind, hat man der vorliegenden Erfindung zufolge festgestellt, dass es bei der Leistung im Betrieb solcher Abscheider eine Eigentümlichkeit gibt wegen der planaren Geometrie des Gaseinlasses oder der -einlässe. Im Bereich des Einlasses sind Partikel, die sich am Umfang des Gaswirbels befinden, beim Fließen die den Gaseinlass aufnehmende Vorderwand der Wirbelkammer entlang geneigt, sich aus dem Gas abzuscheiden, und die ordnungsgemäße Einführung des Gases in die Wirbelkammer zu stören, was die gewünschte Intensität der Ver- oder Herumwirbelung des Gases im Wirbel beeinträchtigt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, eine verbesserte Fliehkraftabscheideranordnung und ein Verfahren zum Betreiben desselben vorzusehen.
Es ist eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Fliehkraftabscheider mit planaren Wänden, und ein Verfahren zum Betreiben desselben vorzusehen, das die Herumwirbelung von Gas und Partikeln maximiert und eine vorzeitige Abscheidung von Partikeln aus der Wirbelströmung innerhalb der Wirbelkammer verhindert,
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Fliehkraftabscheider und ein Verfahren zum Betreiben desselben vorzusehen, das Störungen oder Unterbrechungen am Gaseinlass minimiert, die durch das Gas innerhalb der Wirbelkammer verursacht werden.
Es ist ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Fliehkraftabscheider und ein Verfahren zum Betreiben desselben vorzusehen, das die störende Wirkung von innerhalb der Wirbelkammer herumwirbelndem Gas und Partikeln auf in die Wirbelkammer einzuführendes Gas minimiert.
Die obigen Aufgaben werden der vorliegenden Erfindung zufolge durch einen Fliehkraftabscheider und ein Verfahren zum Betreiben desselben erreicht, die die in Anspruch 1 und Anspruch 15 definierten Merkmale aufweisen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind dabei eine Vorrichtung und ein Verfahren vorgesehen, das die oben erwähnten Nachteile, wie z. B. Unterbrechung der Gasströmung am Gaseinlass überwinden, die bei den ansonsten vorteilhaften Fliehkraftabscheidern, wie sie durch das US-Patent 5,281,398 dargestellt sind, entstehen können. Der Bereich der Vorderwand nahe dem Gaseinlass ist auf solche Weise konfiguriert, dass Partikel, die innerhalb des Gaswirbels verwirbelt werden aber zum Abscheiden neigen, von Bewegung die Vorderwand entlang zur Bewegung in Richtung der Gaseinführung, d. h. parallel oder nahezu parallel zu der in die Wirbelkammer eingeführte Gasströmung, sanft umgelenkt werden. Auf diese Weise kann die Verwirbelung des Gases während der tangentialen Einführung in die Wirbelkammer tatsächlich maximiert werden.
Es ist eine Fliehkraftabscheideranordnung vorgesehen, die die folgenden Bestandteile umfasst, die für den im US-Patent 5,281,398 dargestellten Abscheider gemeinsam sind:
- Eine Vielzahl wesentlich planarer Wände, eine erste Wand eingeschlossen, die eine Wirbelkammer mit einem internen Gasraum bildet, und zumindest einen Gaswirbel in dem Gasraum zustande bringt, welcher Gasraum einen eindeutig nichtkreisförmigen Querschnitt hat (d. h. eine Kreisförmigkeit größer als 1.1, vorzugsweise größer als 1.3 hat und am bevorzugtesten im Wesentlichen quadratisch ist).
- Zumindest einen Gasauslass für gereinigtes Gas, der vom Gasraum ausgeht.
- Zumindest einen in der ersten Wand ausgebildeten Gaseinlass zur Einführung von Gas samt mitgeführten Partikeln in den Gasraum, welcher Gaseinlass zumindest eine längliche Strahl-begrenzende Wand umfasst, deren freier Endabschnitt sich einen ersten Abstand von der ersten Wand in den Gasraum hinein erstreckt, um einen Gasstrahl zu bilden, der sich wesentlich tangential bis an einen Gaswirbel im Gasraum erstreckt.
- Zumindest einen Auslass für abgeschiedene Partikel aus dem Gasraum.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind innerhalb der Wirbelkammer Strömungsleitmittel vorgesehen, um Störungen der Gasströmung bei der Einführung in die Wirbelkammer zu verhindern. Die vorgesehenen Leitmittel umfassen Mittel zur Leitung des Gaswirbels zwischen der ersten Wand und der Strahl-begrenzenden Wand auf solche Weise, dass die Strömungsrichtung von im Gaswirbel aus dem Gas ausscheidenden Partikeln von Bewegung die erste Wand entlang zur Bewegung im Wesentlichen parallel zum Gasstrahl (z. B. wesentlich senkrecht zur ersten Wand am Gaseinlass und wesentlich tangential zum Gaswirbel) umgelenkt wird.
Die Leitmittel umfassen eine Einlage aus massivem feuerfestem Material, welche Einlage sich zwischen dem freien Endabschnitt der Strahl-begrenzenden Wand und der ersten Wand erstreckt, und eine gekrümmte Strömungsrichtung-ändernde Fläche aufweist. Die Einlage aus massivem feuerfestem Material (z. B. Keramik) kann eine Vielzahl von Kühlmittel-Zirkulationsrohren aufweisen, die die Gasrichtung-ändernde Fläche abkühlen. Wahlweise können die Strahl-begrenzende Wand und Bereiche der ersten Wand nahe der Einlage eine Vielzahl von Kühlmittel-Zirkulationsrohren haben, die die Einlage abkühlen.
Die Vielzahl wesentlich planarer Wände umfasst typisch eine zweite Wand, die wesentlich senkrecht zur ersten Wand ist und sich damit schneidet. Die zumindest eine Strahl-begrenzende Wand kann eine einzige Strahl-begrenzende Wand umfassen, die im Wesentlichen parallel zur zweiten Wand ist und einen Abstand W zur zweiten Wand aufweist, der die Breite des Gaseinlasses festlegt, und der Gaseinlass hat typisch eine Höhe H, die größer als 2 W (vorzugsweise größer als 4 W) ist. Die zweite Wand hat typisch eine Länge D im Inneren des Gasraums, und der erste Abstand ist zumindest 50 mm aber weniger als 25% jener Länge D.
Alternativ können die planaren Wände zumindest eine zweite und eine dritte Wand umfassen, die mit der ersten Wand verbunden sind, und die zumindest eine Strahl- begrenzende Wand umfasst zwei Wände mit einem Abstand W zueinander, der die Breite der Einlassöffnungen festsetzt. Die Strahl-begrenzenden Wände haben jeweils einen freien Endabschnitt, der sich über den ersten Abstand in den Gasraum hinein erstreckt, und eine Einlage mit einer Gasrichtung-ändernden Fläche, und die Wände sind in einem mittleren Abschnitt der ersten Wand, von der zweiten und dritten Wand distanziert, angeordnet. Beide Strahl-begrenzenden Wände bilden einen Winkel α in Hinsicht auf ihre zugehörige, Gasströmungsrichtung-ändernde Fläche, wobei der Winkel α typisch 20-80º, vorzugsweise ungefähr 40-60º ist.
Wahlweise können die erste und zweite Strahl-begrenzende Wand zwei verschiedene Gaseinlässe bilden, wobei die erste Strahl-begrenzende Wand rieben, aber mit Abstand und im Wesentlichen parallel zur zweiten Wand, und eine zweite Strahl- begrenzende Wand neben, aber mit Abstand und im Wesentlichen parallel zur dritten Wand ist, wobei jede der Strahl-begrenzenden Wände an der ersten Wand ihr zugeordnete Leitmittel aufweist. Der erste Abstand ist typisch 0,2-5-mal die Breite (W) des Gaseinlasses.
Die Vielzahl wesentlich planarer Wände kann eine vierte Wand gegenüber dem Gaseinlass und der ersten Wand umfassen, und die vierte Wand kann eine feuerfeste Fläche gegenüber dem Gaseinlass umfassen, die verbesserte Erosionswiderstandseigenschaften im Vergleich zum Rest der Innenflächen der wesentlich planaren Wände hat (gleich ob sie auch mit feuerfestem Material bedeckt sind oder nicht).
Der oben beschriebene Fliehkraftabscheider ist vorzugsweise mit einem Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht kombiniert, der eine Reaktionskammer mit einer Wirbelschicht in einem unteren Bereich derselben und einem Gasabzug in einem oberen Bereich derselben hat und die mit dem Gaseinlass des Fliehkraftabscheiders verbunden ist. Der Gaseinlass erstreckt sich wesentlich vertikal, und die Gasauslässe führen reines Gas aus dem Abscheider-Gasraum aufwärts aus dem Gasraum hinaus, und ein Rückführkanal führt Partikel aus dem unteren Teil des Abscheiders dem unteren Teil der Reaktionskammer zu.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Abtrennung von Partikeln aus einem Partikel mitführenden Gasstrom bei einer Temperatur höher als 500ºC (typisch einer Temperatur eines Reaktors mit zirkulierender Wirbelschicht, z. B. 900º, oder darüber) vorgesehen, der einen, im Wesentlichen oben beschriebenen Fliehkraftabscheider nutzt. Ein Verfahren umfasst folgende Schritte: (a) Einführung eines Gasstroms samt mitgeführten Partikeln und bei einer Temperatur höher als 500ºC in den Gasraum als Strahl in einer Richtung tangential zu einem im Gasraum gebildeten, in der Vertikalachse wirbelnden Gaswirbel, welcher Strahl und Wirbel sich in einem Schnittpunkt schneiden. (b) Entfernung gereinigten Gases aus dem oberen Teil des Gaswirbels. (c) Entfernung abgeschiedener Partikel aus dem unteren Teil des Gaswirbels. Und (d) mit einer Einlage aus massivem feuerfestem Material mit einer gekrümmten Fläche sanfte Richtungsänderung der aus dem Wirbel abgeschieden Partikel nahe der ersten Wand von Bewegung im Wesentlichen die erste Wand entlang zur Bewegung im Wesentlichen in Richtung des Strahls.
Schritt (d) wird typisch durchgeführt, um das Ablagern von Partikeln im Bereich 270- 315º vom Schnittpunkt zu verhindern. Schritt (a) wird durchgeführt, indem Gas samt mitgeführten Partikeln in einer Strömungskonfiguration eingeführt wird, die eine im Vergleich zu ihrer Breite W zumindest zweimal so große Höhe hat, und Schritt (a) wird weiters derart durchgeführt, dass der Strahl in den Gasraum über einen Abstand von der ersten Wand eingeführt wird, der 0,2-5-mal W ist. Ferner wird Schritt (a) typisch auf solche Weise durchgeführt, dass der Strahl in den Gasraum über einen Abstand von der ersten Wand eingeführt wird, der größer als 50 mm aber weniger als 25% von der Breitendimension des Querschnitts des Gasraums ist.
Im Folgenden wird die Erfindung detaillierter mit Verweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wo
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht, teilweise in Schnitt und teilweise in Riss, eines Wirbelschichtreaktors mit zirkulierender Wirbelschicht mit einem Fliehkraftabscheider gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine Schnittansicht des Fliehkraftabscheiders von Fig. 1 entlang Linie 2-2 ist;
Fig. 3 eine Schnittansicht des Abscheiders von Fig. 2 entlang Linie 3-3 ist; und
Fig. 4 bis 7 Ansichten wie die von Fig. 3 für alternative Ausführungsformen von Fliehkraftabscheidern gemäß der vorliegenden Erfindung sind mit dem Vorbehalt, dass die wesentlich planare Fläche 47, wie sie in Fig. 3 und 4 dargestellt ist, nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 1 stellt einen Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht dar, der eine Reaktionskammer 10, einen Zentrifugalpartikelabscheider (Zyklon) 11 und einen Rückführkanal 14 zur Rückführung abgeschiedener Partikel zurück in die Kammer 10 umfasst. Der Querschnitt der Reaktionskammer 10 ist rechteckig, und die Reaktionskammer 10 setzt sich aus Wasserrohrwänden zusammen, von denen lediglich die langen Wände 16 und 18 in Fig. 1 dargestellt sind. Die Wasserrohrwände sind vorzugsweise aus miteinander verbundenen vertikalen Wasserrohren gebildet.
Der obere Teil der Wand 18 ist gebogen, um die Decke 20 der Reaktionskammer 10 zu bilden. Die Wände im unteren Bereich der Reaktionskammer 10 sind durch feuerfestes Material 22 geschützt. Der Reaktor hat einen Einlass 23 für festes Material. Der Boden der Reaktionskammer 10 wird aus einer Verteilplatte 24 gebildet, die mit Düsen oder Öffnungen 26 zur Einführung von Fluidisierungsgas aus einem Luftkasten 28 in die Reaktionskammer 10 zur Aufrechterhaltung einer Wirbelschicht in der Kammer 10 ausgestattet ist. Fluidisierungsgas oder Fluidisierungsluft wird in die Reaktionskammer mit solch einem hohen Durchsatz eingeführt, dass es/sie einen wesentlichen Teil des fluidisierten Bettmaterials dazu bringt, kontinuierlich mit dem Gas in den oberen Teil von Kammer 10 und durch eine im oberen Bereich der Kammer 10 angeordnete Öffnung oder einen Schlitz 30 in den Partikelabscheider 11 zu fließen. Der Schlitz bildet einen Gaseinlass 30 zum Abscheider.
Der Fliehkraftabscheider 11 gemäß der Ausführungsform von Fig. 1 ist ein Multivortex- Fliehkraftabscheider, wo zwei parallele vertikale, aus aus der Reaktionskammer 10 abgezogenem Gas mittels Fliehkraft Partikel abtrennende Gaswirbel im Gasraum 31 des Abscheiders 11 gebildet werden. Eine Wirbelkammer 12 bildet den Abscheider 11 und umfasst vorzugsweise planare, hauptsächlich rechtwinklige Wasserrohrwände 32, 34, 36 und 38 (siehe auch Fig. 3). Vorzugsweise sind auch die Wände 32, 34, 36, 38 aus aneinander gefügten, vertikalen Wasserrohren 37 gefertigt, die über Flossen 39 miteinander verbunden sind (siehe Fig. 2). Die Wirbelkammer 12 des Abscheiders 11 gemäß Fig. 1 hat zur Reaktionskammer 10 hin eine lange, mit der Reaktionskammer 10 gemeinsame Wand d. h. ein Teil der Wand 16 der Reaktionskammer 10 bildet die Wand 32 der Wirbelkammer 12. In einigen Fällen können auch getrennte Wände sowohl für Reaktor 10 als auch Abscheider 11 vorgesehen sein.
Am Schlitz oder Gaseinlass 30 ist die Wasserrohrwand 32 zur Innenseite der Wirbelkammer 12 hin gebogen, sodass parallele Strahl-begrenzende Wände 40 gebildet werden, die (siehe Fig. 2 und 3) einen Einlasskanal 42 bilden, der die Gasströmung in den Gasraum 31 der Wirbelkammer 12 leitet. Der Schlitz oder Gaseinlass 30 ist hoch und schmal, höher und schmaler als bei konventionellen vertikalen Zyklonen, vorzugsweise so hoch wie der obere Abschnitt 43 (siehe Fig. 1) der Wirbelkammer 12. Vorzugsweise ist das Verhältnis Höhe zu Breite von Schlitz 30 > 2, bevorzugter > 4.
Die beiden Strahl-begrenzenden Wände 40 erstrecken sich von der ersten Wand 32 einwärts in den Gasraum 31 einen ersten Abstand bis zu einem freien Endabschnitt 41, der am besten aus Fig. 3 ersichtlich ist. Des Weiteren sind auch Leitmittel vorgesehen, die allgemein durch das Bezugszeichen 33 angedeutet sind, zur Leitung des Gaswirbels zwischen der ersten Wand 32 und der Strahl-begrenzenden Wand 40 auf solche Weise, dass die Strömungsrichtung von Partikeln, die sich im Gaswirbel aus dem Gas abscheiden, von Bewegung hauptsächlich die Innenseite der ersten Wand 32 entlang zur Bewegung im Wesentlichen senkrecht zur ersten Wand 32 am Gaseinlass 30 (d. h. wesentlich tangential zum Gaswirbel im Gasraum 31 an jener Stelle und längs des durch Schlitz 30 eingeführten Strahls) sanft geändert wird.
Die Leitmittel 33 umfassen eine Einlage 33', die eine massive Gaströmungsrichtung- ändernde Fläche 47 hat. Der vorliegenden Erfindung zufolge ist die Fläche 47 nicht wesentlich planar - wie in Fig. 3 und 4 dargestellt ist - sondern gekrümmt - wie in Fig. 5 bis 7 dargestellt ist. Bei der in Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsform umfasst die Einlage 33' eine Einlage aus wesentlich massivem feuerfestem Material, wie z. B. Keramik, von Bindemittel zusammengehaltenem Brechgut oder anderen konventionellen feuerfesten Materialien. Die Einlage 33' - wie aus Fig. 2 ersichtlich - hat eine mit der Höhe H des Schlitzes 30 vergleichbare Höhe. Der Schlitz 30 hat eine Breite W (siehe z. B. Fig. 4), und bei der bevorzugten Konstruktion gemäß der Erfindung ist die Höhe H zumindest zweimal so groß wie die Breite W und vorzugsweise zumindest viermal so groß.
Bei der in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform, wo in einem zentralen Bereich der ersten (Vorder-)Wand 32 des Abscheiders 11 zwei Strahl-begrenzende Wände 40 vorgesehen sind, bilden die beiden Wände 40 einen Winkel α mit der Wand 47 (weil die Wand 47 gekrümmte ist - mit einer Linie durch die Endpunkte der Fläche 47 an dem freien Ende 41 der Wand 40 und der Stelle, wo sich die Fläche 47 mit der ersten Wand 32 schneidet). Der Winkel α ist vorzugsweise 20-80º, am bevorzugtesten ungefähr 40-60º. Auch der erste Abstand - der Abstand zwischen der Wand 32 und dem freien Ende 41 die Strahl-begrenzende Wand 40 entlang - ist 0,2-5-mal die Breite W des Schlitzes 30.
Wie aus der Ausführung von Fig. 4 zu ersehen ist, ist der erste Abstand (die Länge der Strahl-begrenzenden Wand 40 zwischen der ersten Wand 32 und ihrem freien Ende 41) durch das Bezugszeichen 49 angedeutet und typisch zumindest 50 mm ist. Falls die Länge der Wände 34, 38 von der ersten Wand 32 gleich D ist (wo ein quadratischer Querschnitt für den Gasraum 31 vorgesehen ist, wie in Fig. 4 dargestellt), dann ist die maximale Dimension 49 weniger als 25% von D.
Die oberen Teile der den Raum 31 bildenden Wände der Wirbelkammer 12 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 12. Durch diese Konstruktion wird ein asymmetrischer, langer, trichterförmiger Raum 44 gebildet (siehe Fig. 1), wobei der untere Teil des Raums 44 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 11 gebildet. Die Stirnwände des Rückführkanals 14 werden entsprechend durch die Verlängerungen der Wände 34 und 38 gebildet. Lediglich ein Teil der Stirnwände 34 und 38 mit der Breite des Rückführkanals 14 setzt sich nach unten fort und bildet dabei einen Rückführkanal. Die restlichen Teile der Stirnwände erstrecken sich lediglich bis an den oberen Teil des Rückführkanals 14, wie in Fig. 1 für einen Teil von Wand 34 dargestellt ist. Der untere Teil des Rückführkanals 14 ist mit dem unteren Abschnitt der Reaktionskammer 10 über einen L-Krümmer 48 verbunden zur Rückführung des im Abscheider 11 abgeschieden Feststoffes in die Wirbelschicht im unteren Teil von Kammer 10; wahlweise können andere Typen von Feststoffschleusen eingesetzt werden.
Im oberen Abschnitt 43 der Wirbelkammer 12 werden aus in Öffnungen 50 und 52 (siehe Fig. 2) angeordneten Kanälen 54 und 56 zwei aufeinanderfolgende Gasauslässe für den Abzug gereinigten Gases aus dem Gasraum 31 der Wirbelkammer 12 gebildet. Die Gasauslasskanäle 54, 56 des Abscheiders 11 können entweder keramische oder gekühlte Kanäle sein, um den heißen Verhältnissen im Abscheider 11 stand zu halten. Die Gase werden aus dem Abscheider 11 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 geleitet, welcher Konvektionsabschnitt ebenfalls mit Wärmerückgewinnungsflächen ausgestattet ist. Anstatt das Multivortex-Konzept zu nutzen, kann es manchmal bevorzugt sein, mehrere Abscheider 11, z. B. zwei Abscheider mit einem einzigen Wirbel, wie in Fig. 4 dargestellt, miteinander kombiniert einzusetzen.
Vorzugsweise kann das warm- und abrasionsfeste feuerfeste Material direkt an zumindest einige Teile der Wände 32, 34, 36, und 38 der Wirbelkammer 12 befestigt sein. Stellen, die einer starken Abrasion ausgesetzt sind, erfordern eine dickere Schicht feuerfesten Materials, oder aber es kann ein abrasionsfesteres feuerfestes Material verwendet werden. Somit kann etwa die Wand 36 dem Gaseinlass 30 gegenüber mit einer dicken feuerfesten Auskleidung 57 (siehe Fig. 1 und 3) versehen sein, deren Länge der Höhe des Einlasses 30, 42 (siehe Fig. 1) entspricht. Zumindest ein Teil der Partikel, die von dem in die Wirbelkammer 12 einfließenden Gasstrom mitgeführt werden, schlägt dann auf diesem feuerfesten Bereich 57 an der Wand 36 auf.
Die von dem im Abscheider 11 eintreffenden Gas mitgeführten Partikel sind geneigt, direkter zu fließen als das Gas. Wenn zum Beispiel das Gas in die Wirbelkammer 12 fließt und seine Bewegungsrichtung ändert, um einen Wirbel zu bilden, setzen einige der Partikel hauptsächlich auf ihrem geraden Pfad fort und prallen eventuell gegen die gegenüberliegende Wand 36. Infolge der Trägheit bei der Änderung der Bewegungsrichtung der Partikel sind die Eckbereiche der Wirbelkammer 12 für Abrasion anfällig und müssen vorzugsweise mit einer dickeren Schicht feuerfesten Materials oder mit einem beständigeren feuerfesten Material geschützt werden, wie bei 57 in Fig. 1 und 3 zu ersehen ist.
Fig. 5 stellt eine Illustration einer Ausführungsform dar, wo ein Multivortex aus zwei Wirbeln gebildet wird. Beide Wirbel haben ihren eigenen Einlass 30 in den Ecken der Kammer. Wirbelleitmittel mit Einlagen 33' sind ebenfalls nahe der Schlitze 30 vorgesehen.
Fig. 6 stellt eine Anordnung fürs Arrangieren der Kühlrohre gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die Trennwand 632 ist aus feuertest ausgekleideten Rohren 610 gebildet, die über Flossen 612 miteinander verbunden sind, um eine wesentlich gasdichte Wandkonstruktion zu bilden. An einer Stelle der Einlassöffnung 30 sind die Rohre 610' derart abgebogen, dass sie aus der Wand (32) in die Wirbelkammer hineinragen und einen Teil des Leitorgans 33 bilden, um die Strahl-begrenzende Wand 40 zu bilden. Bei dieser Ausführungsform befinden sich die abgebogenen Rohre 610" nahe der ersten Fläche des Leitorgans 33. Die Rohre 610 und 610" sind mit einem feuerfesten Material ausgekleidet, das eine feuerfeste Einlage 33' mit der Leitfläche 47 bildet.
Fig. 7 stellt eine andere Anordnung fürs Arrangieren der Kühlrohre gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die Trennwand 732 ist ebenfalls aus feuerfest ausgekleideten Rohren 710 gebildet, die über Flossen 712 miteinander verbunden sind, um eine wesentlich gasdichte Wandkonstruktion zu bilden. An einer Stelle der Einlassöffnung 30 sind die Rohre 710' derart abgebogen, dass sie aus der Wand (32) in die Wirbelkammer hervorspringen und einen Teil des Leitorgans 33 bilden, dessen Oberfläche 47 durch einen feuerfesten Überzug auf Organ 33 gebildet ist. Bei dieser Ausführungsform sind die abgebogenen Rohre 710" im Wesentlichen gleichmäßig innerhalb des Leitorgans 33 beabstandet.
Die in Fig. 6 und 7 dargestellten Rohre 610, 610', 610", 710, 710' und 710" zirkulieren Kühlmittel (z. B. Wasser oder Dampf) dadurch, um die Gasströmungsrichtung-ändernde Fläche 47 abzukühlen.
Bei einem beispielhaften Verfahren zur Abscheidung von Partikeln aus dem Gasstrom samt mitgeführten Partikeln und bei einer Temperatur von mehr als 500ºC (typisch ungefähr 900ºC oder mehr, falls mit einem Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht verbunden), wird ein Gasstrom samt mitgeführten Partikeln in den hohen, schmalen vertikalen Einlass 30 in den Gasraum 31 als Strahl in einer Richtung eingeführt - durch das Bezugszeichen 65 in Fig. 4 dargestellt - in einen in der Vertikalachse wirbelnden Gaswirbel - allgemein durch Pfeile 66 in Fig. 4 gezeigt - der im Gasraum 31 gebildet wird. Der Strahl und der Wirbel schneiden sich an einem Schnittpunkt, der in Fig. 4 schematisch durch das Bezugszeichen 67 dargestellt ist. Reines Gas wird aus dem oberen Teil des Gaswirbels 66 durch den Auslassstutzen 54 entfernt, während abgeschiedene Partikel aus dem unteren Teil des Gaswirbels 66 entfernt werden, wie durch das Bezugszeichen 44 in Fig. 1 angedeutet ist. Die Fläche 47 ändert sanft die Richtung jeder Partikel, die sich aus dem Gas im Wirbel 66 nahe der ersten Wand 32 abscheiden, von Bewegung im Wesentlichen die erste Wand 32 entlang zur Bewegung im Wesentlichen in Richtung des Strahls 65, wie durch Pfeil 68 in Fig. 4 angedeutet ist. Die Kombination der Strahl-begrenzenden Wand 40, die sich in den Raum 31 hinein erstreckt, und der durch die Fläche 47 erreichten sanften Richtungsänderung des Gases minimieren die Störung des Strahls 65, der tangential in den Raum 31 eingeführt wird, und maximieren somit die Verwirbelung im Gaswirbel 66. Die Anordnung verhindert das Ablagern von Partikeln im Bereich von 270-315º vom Schnittpunkt 67 (an der allgemeinen Krümmung des Gaswirbels 66).
Somit leuchtet es ein, dass der vorliegenden Erfindung zufolge ein wirksamer Fliehkraftabscheider und Verfahren zur Fliehkraftabscheidung von Partikeln vorgesehen sind, die mit Störungen am Gaseinlass eines durch planare Wände gebildeten Gasraums wesentlich quadratischen Querschnitts, wie er im US-Patent 5,281,398 dargestellt ist, verbundenen Nachteile überwinden. Während die Erfindung hier in Zusammenhang damit dargestellt und beschrieben wurde, was man derzeit für die praktischeste bevorzugte Ausführungsform hält, leuchtet es einem vom Fach ein, dass daran viele Modifikationen im Schutzumfang der Erfindung vorgenommen werden können, welcher Schutzumfang breit ausgelegt werden soll, um alle gleichwertigen Konstruktionen und Verfahren zu decken.

Claims

1. Fliehkraftabscheider (11) -Anordnung, umfassend:

- eine Wirbelkammer (12), die aus einer Vielzahl wesentlich planarer Wände (32, 34, 36, 38), eine erste Wand (32) eingeschlossen, gebildet wird, welche Wirbelkammer (12) einen internen Gasraum (31) mit einem Querschnitt hat, der eindeutig nichtkreisförmig ist,

- zumindest einen, in der ersten Wand (32) ausgebildeten Gaseinlass (30) zur Einführung von Gas samt mitgeführten Partikeln in den Gasraum (31), welcher Gaseinlass (30) zumindest eine längliche Strahl-begrenzende Wand (40) mit einem freien Endabschnitt (41) umfasst, der sich einen ersten Abstand (49) von der ersten Wand (32) in den Gasraum (31) hinein erstreckt, um einen Gasstrahl zu begrenzen, der sich wesentlich tangential zu einem Gaswirbel in dem Gasraum (31) erstreckt;

- zumindest einen Gasauslass (50, 52, 54, 56) für gereinigtes Gas, der sich von der Wirbelkammer (12) ausgeht und mit dem Gasraum (31) in Verbindung steht, um zumindest einen Gaswirbel in dem Gasraum zustande zu bringen und

- zumindest einen Auslass (46) für abgeschiedene Partikel aus dem Gasraum (31),

dadurch gekennzeichnet, dass

die Wirbelkammer (12) des Weiteren Leitmittel (33) umfasst, bestehend aus

- einer Einlage (33') aus feuerfestem Material, welche Einlage sich zwischen dem freien Endabschnitt (41) der Stahl-begrenzenden Wand (40) und der ersten Wand (32) erstreckt, und eine gekrümmte Gasströmungsrichtung-ändernde Fläche (47) hat, zur Leitung des Gaswirbels zwischen der ersten Wand (32) und der Strahl- begrenzenden Wand (40) auf solche Weise, dass die Strömungsrichtung von Partikeln, die sich im Gaswirbel aus Gas abscheiden, von Bewegung im Allgemeinen besagte erste Wand (32) entlang zur Bewegung im Wesentlichen parallel zu besagtem Gasstrahl an besagtem Gaseinlass (30) sanft geändert wird.

2. Fliehkraftabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Gasraums (31) im Wesentlichen quadratisch ist.

3. Fliehkraftabscheider nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl wesentlich planarer Wände (32, 34, 36, 38) eine zweite, zur ersten Wand (32) wesentlich senkrechte und sich damit schneidende Wand (34) umfasst; und dass die zumindest eine Strahl-begrenzende Wand (40) eine einzige Strahl-begrenzende Wand umfasst, die im Wesentlichen parallel zur zweiten Wand (34) und durch eine Distanz W von der zweiten Wand beabstandet ist, die die Breite des Gaseinlasses (30) festlegt, und dass der Gaseinlass eine Höhe H hat, die größer als 2 W ist.

4. Fliehkraftabscheider nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl wesentlich planarer Wände (32, 34, 36, 38) eine zweite Wand (34) umfasst, die im Wesentlichen senkrecht zur ersten Wand (32) ist und sich damit schneidet; und dass die zumindest eine Strahl-begrenzende Wand (40) eine einzige Strahl- begrenzende Wand umfasst, die im Wesentlichen parallel zur zweiten Wand und von der zweiten Wand beabstandet ist; und dass die zweite Wand (34) eine Länge D innerhalb der Gasraums (31) hat, und dass der erste Abstand zumindest 50 mm, aber weniger als 25% von D ist.

5. Fliehkraftabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (33') eine Vielzahl von Kühlmittel-Zirkulationsrohren (710) umfasst, die die Gasströmungsrichtung-ändernde Fläche (47) abkühlen.

6. Fliehkraftabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahl- begrenzende Wand (40), und Teile der ersten Wand (32) nahe der Einlage (33'), eine Vielzahl von Kühlmittel-Zirkulationsrohren (610, 710) haben, die die Einlage abkühlen.

7. Fliehkraftabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl wesentlich planarer Wände (32, 34, 36, 38) zumindest eine zweite und dritte mit der ersten Wand (32) verbundene Wand (34, 38) umfasst; und dass die zumindest eine Strahl-begrenzende Wand (40) zwei Strahl-begrenzende, durch eine Distanz W voneinander beabstandete Wände umfasst, die die Breite der Gaseinlassöffnung (30) festlegt, welcher Gaseinlass eine Höhe H hat, die größer als 2 W ist; und dass die Strahl-begrenzenden Wände jeweils einen freien Endabschnitt (41) haben, der sich den ersten Abstand in den Gasraum (31) hinein erstreckt und eine Einlage (33') mit einer Gasströmungsrichtung-ändernden Fläche (47) haben und in einem mittleren Abschnitt der ersten Wand (32), von der zweiten und dritten Wand (34, 38) distanziert angeordnet sind.

8. Fliehkraftabscheider nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strahl-begrenzenden Wände (40) einen Winkel α in Hinsicht auf die zugehörige Gasströmungsrichtung-ändernde Fläche (47) bilden, welcher Winkel α ungefähr 20º bis 80º ist.

9. Fliehkraftabscheider nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α ungefähr 40º bis 60º ist.

10. Fliehkraftabscheider nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand 0,2-5-mal 11 ist.

11. Fliehkraftabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl wesentlich planarer Wände (32, 34, 36, 38) zumindest eine zweite und dritte Wand (34, 38) umfasst, die mit der ersten Wand (32) verbunden sind und sich im Wesentlichen senkrecht zu ihr erstrecken; und dass die zumindest eine Strahl-begrenzende Wand (40) eine erste und zweite Strahl-begrenzende Wand umfasst, die zwei unterschiedliche Gaseinlässe (30) bilden, wobei die erste Strahl-begrenzende Wand nahe aber beabstandet von und im Wesentlichen parallel zur zweiten Wand (34) ist, und die zweite Strahl-begrenzende Wand nahe aber beabstandet von und im Wesentlichen parallel zur dritten Wand (38) ist, wobei die Strahl-begrenzenden Wände und die erste Wand (32) jeweils Leitmittel (33) aufweisen.

12. Fliehkraftabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wand von der Vielzahl planarer Wände (32, 34, 36, 38) eine interne, den Gasraum (31) begrenzende Fläche hat, die mit einem feuerfesten Material bedeckt ist.

13. Fliehkraftabscheider nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl wesentlich planarer Wände (32, 34, 36, 38) eine vierte Wand (36) gegenüber dem Gaseinlass (30) in der ersten Wand (32) umfasst; und dass die vierte Wand (36) gegenüber dem Gaseinlass (30) eine feuerfeste Fläche (57) mit verbesserten Erosionswiderstandseigenschaften im Vergleich zu dem feuerfesten Material hat, das den Rest der Innenflächen der wesentlich planaren Wände bedeckt.

14. Fliehkraftabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheider (11) mit einem Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht kombiniert ist, der eine Reaktionskammer (10) aufweist, bestehend aus

- einer Wirbelschicht in einem unteren Teil der Reaktionskammer, und

- einem Gasabzugsteil in einem oberen Teil der Reaktionskammer, der mit dem Gaseinlass (30) des Fliehkraftabscheiders (11) verbunden ist, welcher Gaseinlass (30) des Fliehkraftabscheiders (11) sich im Wesentlichen vertikal erstreckt und die Gasauslässe (50, 52, 54, 56) gereinigtes Gas aus dem Abscheider- Gasraum (31) aufwärts aus dem Gasraum herausleiten;

und der Reaktor weiters einen Rückführkanal (14) für Partikel hat, der vom unteren Teil des Abscheiders (11) zum unteren Teil der Reaktionskammer führt.

15. Verfahren zur Abtrennung von Partikeln aus einem Gasstrom mit darin mitgeführten Partikeln und bei einer Temperatur von höher als 500ºC, wobei ein Fliehkraftabscheider (11) genutzt wird, bestehend aus

- einer Vielzahl wesentlich planarer Wände (32, 34, 36, 38), eine erste Wand (32) eingeschlossen, die eine Wirbelkammer (12) mit einem internen Gasraum (31) begrenzen, welcher Gasraum einen Querschnitt hat, der eindeutig nichtkreisförmig ist, und

- zumindest einem Gasauslass (50, 52, 54, 56) für gereinigtes Gas, der von der Wirbelkammer (12) ausgeht und mit dem Gasraum (31) in Verbindung steht, und zumindest einem, in der ersten Wand (32) ausgebildeten Gaseinlass (30) zur Einführung von Gas samt mitgeführten Partikeln in den Gasraum, um zumindest einen Gaswirbel in dem Gasraum zustande zu bringen; wobei das Verfahren zur Abtrennung von Partikeln folgendes umfasst

(a) Einführung eines Gasstroms samt mitgeführten Partikeln und bei einer Temperatur über 500ºC in den Gasraum (31) als Strahl in einer, zu einem im Gasraum gebildeten, in der Vertikalachse wirbelnden Gaswirbel tangentialen Richtung, welcher Strahl und Wirbel sich in einem Schnittpunkt schneiden;

(b) Entfernung gereinigten Gases aus dem oberen Teil des Gaswirbels, und

(c) Entfernung abgeschiedener Partikel aus dem unteren Teil des Gaswirbels;

welches Verfahren des Weiteren dadurch gekennzeichnet ist, dass

(d) die Richtung jeder, nahe der ersten Wand aus dem Wirbel abgeschiedenen Partikel sanft mit einer Einlage (33') aus massivem feuerfestem Material mit einer gekrümmten Fläche von Bewegung die erste Wand entlang zur Bewegung in Richtung des Strahls geändert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (d) durchgeführt wird, um das Ablagern von Partikeln im Bereich von 270-315º vom Schnittpunkt zu verhindern.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (a) durch Einführung von Gas samt mitgeführten Partikeln in einer Strömungskonfiguration durchgeführt wird, die eine Höhe hat, die zumindest zweimal so groß wie ihre Breite ist.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaseinlass (30) eine Breite W hat, und dass der Schritt (a) durchgeführt wird, indem der Strahl in den Gasraum (31) über einen Abstand von ersten Wand (32) eingeführt wird, der 0,2-5-mal W ist.

19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasraum (31) in Querschnitt im Wesentlichen quadratisch ist und eine sich vom Gaseinlass (30) erstreckende Breitendimension hat; und dass der Schritt (a) auf solche Weise durchgeführt wird, dass der Strahl über einen Abstand von der ersten Wand (32) in den Gasraum (31) eingeführt wird, der größer als 50 mm aber weniger als 25% der Breitendimension ist.