NO774297L

NO774297L - Oppvarmningsinnretning for fluidiseringsskiktprosess

Info

Publication number: NO774297L
Application number: NO774297A
Authority: NO
Inventors: Walfred Wilhelm Jukkola
Original assignee: Dorr Oliver Inc
Priority date: 1976-12-23
Filing date: 1977-12-14
Publication date: 1978-06-26
Also published as: IN146500B; BE862158A; ZA777248B; SE431580B; DK148933C; FI773884A; DK553577A; GB1568538A; DK148933B; DE2756837A1; CA1068999A; ES465326A1; FR2375563A1; NL7713662A; AU512141B2; JPS5380039A; US4096909A; MX4555E; JPS6229681B2; SE7714139L

Description

"Oppvarmningsinnretning for fluidiseringsskiktprosess<n>

Oppfinnelsen angår en ny utførelse av en prosessvarmeinnretning som anvender fluidisert skikt, til bruk i oljeraffinerier, kjemiske anlegg og andre industrielle anvendelsesområder som krever damp, eller hvor andre prosesstrømmer, f.eks. olje må varmes opp.

Fluidiseringsskiktreaktorer består typisk av en sylindrisk beholder med en stort sett horisontal perforert plate som bærer et skikt av findelte faststoffer i reaksjonskammeret og avgrenser reaksjonskammeret fra et blestkammer under platen. Luft og/eller andre gasser føres inn i blestkammeret og passerer gjennom den per-forerte plate (fordelingsplaten) i tilstrekkelig stort volum til at der oppnås en gasshastighet som gjør at faststoffskiktet ekspanderer og holdes svevende, samtidig som de enkelte findelte faststoff-partikler får en kontinuerlig vilkårlig bevegelse. Dette ekspanderte skikt har mange egenskaper til felles med fluider, og blir derfor kalt et "fluidisert skikt"..

I slike fluidiseringsskiktreaktorer kan der utføres prosesser som tørking, sortering, røsting, kalsinering, forbrenning og varme-behandling av faste stoffer med gasser i kjemiske, metallurgiske eller andre prosesser hvor materialer behandles. Videre kan reak-sjonskamrene i slike fluidiseringsskiktreaktorer hvor der finner sted forbrenningsreaksjoner, forsynes med kveiler, eller sløyfer til utveksling av varme med det fluidiserte skikt for produksjon av damp eller andre varme fluider for produksjon av elektrisk kraft eller for utførelse av kjemiske eller fysiske prosesser som krever varme.

Når det er ønskelig å trekke ut varme fra et fluidisert skikt ved å sirkulere en væske eller gass gjennom rørsløyfer i skiktet, foreligger der visse problemer som må tas i betraktning i. forbindelse med slike installasjoner. Et åpenbart problem er den forholdsvis store erosjon som det fluidiserte skikt gir opphav til som følge av den hurtige og kontinuerlige bevegelse av de partikkelformede faststoffer i skiktet, da slike faststoffer kan omfatte sand, kull, aluminiumoksyd eller andre harde og slipende stoffer. Returbøyene av sløyfene i skiktet er spesielt følsomme for slike eroderende forhold, pga. den turbulens som foreligger i disse områder. Den høye temperatur i reaksjonskammeret må også tas i betraktning når det gjelder å skaffe tilstrekkelig understøttelse av sløyfene, særlig fordi det forlanges øket kapasitet av nye enheter, noe som fører til at de horisontale sløyfene må spenne over reaksjonskamre med stadig større diameter. Da horisontale sløyfer må anbringes langs korder av det sirkelformede tverrsnitt av reaksjonskammeret, kan dessuten sløyfelengdene ikke standardiseres, og skikkelig vedlike-hold krever enten et stort lager av sløyfer i forskjellige størrel-ser eller mulighet for spesiell fabrikasjon av disse. Vertikale sløyfer brukes iblant, men tilveilbringelse av høy varmevekslerflatetetthet medfører at blestkammeret og/eller reaktorens frirom delvis fylles opp av den nødvendige samlerørkonstruksjon.

Ifølge oppfinnelsen er der skaffet en ny utførelse av en prosessvarmeinnretning som arbeider med fluidisert skikt, hvor horisontaltliggende varmevekslersløyfer av ensartet størrelse kan brukes, og hvor varmevekslersløyfene er godt understøttet av veggene i konstruksjonen.

Det er en hensikt med den foreliggende oppfinnelse å skaffe en prosessvarmeinnretning som arbeider med fluidisert skikt og gir en høy varmevekslerflatetetthet.

En annen hensikt med oppfinnelsen er å skaffe organer til tilstrekkelig understøttelse av horisontale varmevekslersløyfer i en prosessvarmeinnretning som arbeider med fluidisert skikt av stor flateutstrekning.

En videre hensikt med oppfinnelsen er i en prosessvarmeinnretning som omfatter horisontale varmevekslersløyfer anordnet i et fluidisert skikt, å skaffe konstruktive organer til å beskytte sløyfenes returbøyer mot de høyeroderende tilstander som råder i skiktet.

Ytterligere en hensikt med oppfinnelsen er i en torisk fluidi-seringsskiktreaktor å skaffe organer som sikrer reaktorinnerveggens konstruktive styrke ved høye temperaturer.

Andre hensikter og fordeler vil fremgå av følgende beskrivelse

i forbindelse med tegningen.

Fig. 1 er et oppriss, delvis i snitt, av den toriske prosessvarmeinnretning ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 er et snitt av varmeinnretningen ifølge oppfinnelsen hovedsakelig langs linjen 2-2 på fig. 1. Fig. 3 er et perspektivriss av en varmevekslersløyfeenhet ifølge oppfinnelsen, og

fig. 4 viser et utsnitt, delvis gjennomskåret, av en bærekon-struktion for varmevekslersløyfer ifølge oppfinnelsen.

Betegnelsen "torisk" (toroidal) som er brukt i beskrivelsen

av oppfinnelsen, er ment å skulle omfatte konstruksjoner med en uforming stort sett som en smultring, med en ytre sirkular vegg og en med denne konsentrisk innvervegg. Konstruksjonens tversnitt i et vertikalt radialplan kan være en polygon eller en sluttet, plan kurve.

Generelt uttrykt omfatter varmeinnretningen ifølge oppfinnelsen en torisk reaksjonsbeholder med en yttervegg og en med denne konsentrisk vannavkjølt innervegg med en mindre diameter. I det ringformede rom som er dannet av inner- og ytterveggene, ligger reaksjonskammeret hvor et fluidisert skikt befinner seg. Vertikalt-stilte plane sløyfeenheter som er dannet av horisontale rørseksjoner, strekker seg radialt i reaktorkonstruksjonen og understøttes av ytter- og innerveggene.

Spiralene er nærmere bestemt forbundet med en deksel- eller lukeplate som kan festes til reaktorkonstruksjonens yttervegg. De horisontale rørseksjoner passerer gjennom platen, og returbøyene er plassert slik at de i montert stilling ligger utenfor reaktorens yttervegg. De indre returbøyer på sløyfeenhetene mottas i støtte-fordypninger i reaktorkonstruksjonens innervegg. Innenfor innerveggen er der anordnet vertikaltløpende kjølerør.

På Fig. 1 og 2 er der vist en torisk- prosessvarmeinnretning 10 som benytter et fluidisert skikt og har vertikale sløyfeenheter 30 anordnet i et oppvarmingskammer 17 ifølge oppfinnelsen. Varmeinnretningen 10 har en yttervegg av metall 11 som har relativt stor diameter og er forsynt med en foring 15 av ildfast materiale,og en innervegg av metall 12 som har vesentlig mindre diameter og er forsynt med sin egen foring 13 av ildfast materiale. Et ringformet, ildfast foret takparti 15 spenner over de øvre ender av veggene 11 og 12. Et ringformet bunnparti av metall 18a som avgrenser et blestkammer 18 spenner over de nedre ender av veggene 11 og 12. Blestkammeret 18 er adskilt fra oppvarmingskammeret 17 ved en ringformet fordelningsplate 16 som er forsynt med en flerhet av blestformer 21. Fordelingsplaten 16 bærer et skikt av partikkelformede faststoffer 28. En luftinntaksledning 22 står i forbindelse med blestkammeret 18, og et avgassutløp 23 står i forbindelse med oppvarmingskammeret 17. En inntaksledning 4 7 for faststoffer står i forbindelse med oppvarmingskammeret 17, og det samme gjelder en ledning 48 til uttak av faststoffer. Et tømmeavløp 19 er anbragt i forbindelse med blestkammeret 18. Sløyfeenheter 30 overspenner det ringformede oppvarmingskammer 17 langs radier i prosessvarmeinnretningen inne i det fluidiserte skikt 28. Brenseltrykksprøyter 46 (fig. 2) rager gjennom reaktorens yttervegg og er innrettet til å sprøyte inn brennstoff i området mellom sløyfeenhetene 30. Som best vist på fig. 3 omfatter sløyfeenheten 30 et deksel- eller lukeelement 32 bestående av en metallplate som er foret med ildfast materiale, og som den ytre ende av en rørslange 31 er montert i. I montert stilling er lukeelementet 32 festet til varmeinnretningens yttervegg 11 ved hjelp av bolter eller andre egnede organer (ikke vist) og bærer dermed den ytre ende av sløyfene 31. Sløyfenes ytre returbøyer 31b ligger således utenfor ytterveggen 11 av varmeinnretningen. De indre returbøyer 31a av sløyfen 31 understøttes av bæreringer av metall 43 i fordypninger 44 i den ildfaste foring 13 på varmeinnretningens innervegg. Bæreringene 43 strekker seg rundt varmeinnretningens innervegg 12 på passende nivåer til å kunne utøve sin bærefunksjon. Undersiden av bæreringen 43 er forsynt med et beskyttende ildfast element 45.

Ytterveggen 11 i varmeinnretningen 10 er på utsiden omgitt av en innløpssamleledning 33 og en utløpssamleledning 34 i området for det fluidiserte skikt. Hver av rørslangene 31 er forbundet med samleledningene 33 og 34.

De beskrevne sløyfeenheter 30 strekker seg gjennom det fluidiserte skikt 28. Det kan også væreønskelig å plassere sløyfeenheter 50 i det frie rom i oppvarmingskammeret 17 for å ta ut ytterligere varme fra reaktoren. Sløyfeenhetene 50 er nøyaktig maken til sløyfe-enhetene 30 med rørslanger 51 som er montert i deksel- eller luke-elementer 52, og enhetene er boltet eller festet på annen måte til ytterveggen 11 av varmeinnretningen 10.

Dampførende kjølerørsløyfer 37 er anbragt i kontakt med innerveggen 12 av varmeinnretningen 10. Sløyfene 37 er anbragt i et ringformet hulrom 38 (best vist på fig. 2) mellom veggen 12 og et isolasjonslag 36 og står i. forbindelse med et innløp 39 og et utløp 39b.

Varmeinnretningen ifølge oppfinnelsen er innrettet til å arbeide ved enten atmosfæretrykk eller overtrykk. Ved drift av varmeinnretningen blir brensel tilført gjennom brenseltrykksprøytene. Brensel som f.eks. kull, petroleumskoks eller lavverdig kull er velegnet for prosessen, men andre brennstoffer som f.eks. "Bunker C"-olje kan anvendes. Injiseringsluft kan tilføres sammen med brenselet gjennom brenseltrykksprøytene 46 enten som en bærer for faste brennstoffer som f.eks. kull, eller for å forbedre brensel-dispergeringen når et flytende brensel anvendes. Fluidiserende gasser, som kan ha høy temperatur, føres inn gjennom inntaksledningen 22. Den gass som føres inn gjennom inntaksledningen 22, strømmer ut av fordelingsplaten 16 gjennom blestkamrene 21 og flui-diserer de partikkelformede faststoffer i oppvarmingskammeret 17. Skiktet av partikkelformede faststoffer kan bestå av f.eks i sand-partikler, aluminiumoksyd, kalksten eller dolomitt. Forbrennings-gassene som dannes i skiktet 28, passerer gjennom skiktet, idet de kommer i kontakt med sløyfeenhetene 30, og videre inn i det frie rom i oppvarmingskammeret 17 hvor de kommer i kontakt med sløyfe-enhetene 50, hvis der foreligger slike. Fra det frie rom blir gassene ledet bort gjennom avgassutløpet 23 til en syklon 24 som skiller medførte faststoffer fra gassen, idet faststoffene fjernes gjennom en ledning 26 og gassen går ut gjennom en ledning 27 for videre behandling og/eller utslipp. Prosessfluidet, som kan være f.eks. damp, olje, eller luft, føres inn i oppvarmingskammeret 17 ved hjelp av innløpssamleledningen 34 som står i forbindelse med sløyfeenheten 30. Når fluidet passerer gjennom sløyfeenheten 30, står den i varmevekslingsforhold med det fluidiserte skikt 28.

Det oppvarmede fluidum går videre til utløpssamleledningen 33, hvor-fra det føres bort til ikke viste apparater for varmegjenvinning, kraftproduksjon eller andre formål. Sløyfeenhetene 50 i det frie rom i oppvarmingskammeret 17 virker på tilsvarende måte. Skiktets egenskaper kan opprettholdes ved innføring av faststoffer gjennom en inntaksledning 47 for faststoffer etter behov og uttagning av skikt-materiale, herunder aske, gjennom faststoffutløp 48.

Lukeplaten 32 som sløyfen 31 er montert på, gir god støtte

for sløyfen ved den ytre vegg 11 av varmeinnretningen 10. I til-legg er anordningen slik at de ytre returbøyer 31b av sløyfeen-heten 30 blir liggende utenfor oppvarmingskammeret 17. Disse ytre returbøyer, som er svært utsatt for erosjon, er således fjernet fra det eroderende miljø. Ved innerveggen 12 i oppvarmingskammeret 17 er de indre returbøyer 31a i sløyfeenheten 30 understøttet av ringelementer 43 og skjermet mot skiktets aktive bevegelse i for-dypningene 44 i den ildfaste foring 13 på innerveggen. De indre returbøyer 31a er således i stor utstrekning skjermet mot de eroderende forhold i oppvarmingskammeret 17 og på samme tid godt under-støttet.

Innerveggen 12 omfatter en vannveggskonstruksjon som er viktig for opprettholdelse av innerveggens konstruktive styrke. Det er i alminnelighet vanskelig å opprettholde en sund ildfast veggkon-struksjon på en utoverbuet vegg når veggens konvekse overflate ut-settes for høye temperaturer, selv ved bruk av tallrike klemmer og støpbar konstruksjon. Dampsløyfene 37 vil beskytte innerveggen mot overoppvarming i tilfelle den ildfaste vegg svikter, og vil også holde innerveggen 12 på en temperatur som ligger over dugg-punktet for syre, og derved beskytte den mot korrosjon.

Sløyfeenhetene er uttagbare for å tillate nødvendig vedlike-hold. Et lag av støpbart ildfast materiale kan påføres lukeplaten for å beskytte den mot overoppvarming. Skjønt returbøyene er vist å passere gjennom lukeplaten kan denne gi tilstrekkelig støtte uten at rørene løper helt gjennom den, ved at der anordnes klemmer eller andre mekaniske monteringsmidler på platen. Skjønt tegningen viser ett sett rørslangeelementer for hver lukeplate, er det mulig å anordne to slike sett på en avstand av f.eks. 10 cm fra hverandre. En slik montasjegruppe vil måtte anses som et enkelt sløyfelement

i den foreliggende sammenheng. Den innbyrdes avstand mellom sløy-fene ved innerveggen 12 bestemmer antall rørsløyfer som kan in-stalleres i en varmeinnretning av den beskrevne type.

Rørslangene 51 i det frie rom er vist uttagbare, men hvis spiralene er installert på tilstrekkelig avstand over skiktet til å ligge over plaskesonen (splash zone), vil slitasjen være minimal, og uttagbarhet er derfor ikke noe avgjørende trekk ved disse fri-romssløyfer.

I et eksempel på en varmeinnretning ifølge oppfinnelsen

har innerveggen en diameter på 3,66 m. Ytterveggen har en indre diameter på 13,72 m hvilket gir et ringformet skikt med en bredde på ca. 5 m. Rørenheter dannet av seks rør med en ytre diameter på ca. 10 cm skaffer en varmeovergangsflate på o ca. 9,3 m 2 pr. enhet. Femtiseks slike enheter er anordnet i varmeinnretningen. Med en samlet varmegjennomgangskoeffisient på 340 W/m 2-K og en forskjell på 556 K mellom temperaturen i det fluidiserte skikt og den gjennom-snittlige fluidumtemperatur er varmegjennomgangen fra det fluidiserte skikt til prosessvæsken i skiktsløyfene ca. 95 MW.

Varmeoverføringen fra skiktet kan økes ved at antall rør pr.slø<y->feenhet økes(noe som kan nødvendiggjøre et dypere skikt) og/eller ved at sløyfeenhetene anordnes tettere sammen.

Videre kan varmeoverføringen fra skiktet økes til ca. 123 MW ved bruk av en varmeinnretning med en diameter på ca. 15,8 m, hvilket ville gi et ringformet skikt med bredde på ca. 6,1 m.

Hvis det anvendte brensel er kull, kan faststoffene som ut-skilles i syklonen 24, særlig findelte kullpartikler, føres til-bake til det fluidiserte skikt for forbrenning ved at ledningen 26 forlenges slik at den munner ut i det fluidiserte skikt mellom to nabosløyfeenheter 30.

Prosessvarmeinnretningen ifølge oppfinnelsen har den fordel

at konstruksjonens innervegg kan standardiseres og fabrikkmonteres, idet enheter med ulik kapasitet skaffes ved ganske enkelt å variere bredden på det ringformede rom og lengden av skiktsløyfene. I hver varmeinnretning er skiktsløyfene uttagbare og av ensartet konstruksjon og følgelig ombyttbare. Vannveggskonstruksjonen beskytter innveryeggen mot overoppvarming som følge av svikt i den ildfaste foring og mot syrekorrosjon.

Claims

1. Prosessvarmeinnretning som arbeider med fluidisert skikt, karakterisert ved at den omfatter en torisk beholder med en yttervegg og en stort sett konsentrisk innvervegg, en horisontal ringformet fordelingsplate som strekker seg mellom de ytre og indre vegger og adski.ller et oppvarmingskammer i. det øvre parti av beholderen fra et blestkammer som opptar det nedre parti av beholderen, idet fordelingsplaten er i stand til å bære et fluidisert skikt av partikkelformede faststoffer, en rekke, varme-vekslersløyf eenheter som er anordnet i beholderen og hver har form som et plant rørslangeelement bestående av horisontale rørseksjoner som er forbundet i serie ved hjelp av returbøyer, idet de horisontale seksjoner av hver rørslø yfeenhet rager inn i det fluidiserte skikt i oppvarmingskammeret langs en radius i beholderen med sløyfe-enhetens plan i vertikal stilling, og innretninger som støtter sløyfeenhetene ved beholderens ytter- og innervegger.

2. Varmeinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at sløyfeenheten omfatter en lukeplate som rørslangeelementet er festet til, og som er avtagbart festet til ytterveggen.

3. Varmeinnretning som angitt i krav 2, karakterisert ved at de horisontale rørseksjoner strekker seg gjennom lukeplaten, slik at de ved lukeplaten liggende returbøyer ligger på utsiden av kammeret.

4. Varmeinnretning som angitt i krav 3, karakterisert ved at en flerhet av horisontale bæreringer omgir innerveggen i oppvarmingskammeret på nivåer som tilsvarer nivået av rørslange-elementets rørbend, idet returbøyene ved innerveggen understøttes av hver sin av de nevnte bæreringer.

5. Varmeinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at innerveggen står i kjøleberøring med damp- eller kjøle-slø yfer.

6.V armeinnretning som angitt i krav 5, karakterisert ved at sløyfeenheten omfatter en luke som rørslangeelementet er festet til, og som er avtagbart festet til ytterveggen.

7. Varmeinnretning som angitt i krav 6, karakterisert ved at de horisontale rørseksjoner strekker seg gjennom lukeplaten, slik at de ved lukeplaten liggende returbøyer ligger på utsiden av kammeret.

8. Varmeinnretning som angitt i krav 7, karakterisert ved at en flerhet av horisontale bæreringer omgir innerveggen i oppvarmingskammeret på nivåer som tilsvarer nivået av rørslange-elementets rørbend, idet returbøyene ved innerveggen understøttes av hver sin av de nevnte bæreringer.

9. Varmeinnretning som angitt i krav 8, karakterisert ved at en varmevekslerenhet i form av en rørslange er anordnet i det frie rom i oppvarmingskammeret.

10. Varmeinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at der i beholderen er anordnet en rekke varmevekslersløyfe-enheter som hver omfatter horisontale rørseksjoner som rager inn i det fluidiserte skikt i oppvarmingskammeret langs en radius i beholderen, idet de horisontale rørseksjoner i hvert spiralelement er anordnet over hverandre og forbundet ved endene ved vertikalt anordnede returbøyer, og organer som avtagbart bærer sløyfeenhetene ved ytter- og innerveggene.

11. Varmeinnretning som angitt i krav 10, karakterisert ved at der er anordnet en flerhet av brenselstrykksprøyter til å sprøyte brensel inn i det fluidiserte skikt i området mellom bestemte nabosløyfeenheter.