Wirbelschichtreaktor

Abstract

 Bei einem Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender Wirbel­schicht aus aus einer Wirbelkammer (3) über einen Abschei­der (4) in einen Tauchtopf (5) geführten, dort durch ein Fluidisierungsgas fluidisierte und wieder in die Wirbelkam­mer zurückgeführten Feststoffen, mit Abführung von Wärme durch Kühlflächen im Reaktorraum (2) und im Abscheider, insbesondere für exotherme Reaktionen sind die Wände (16) und der Boden (17) des Tauchtopfes (5) vollständig berohrt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtreaktor mit zir­kulierender Wirbelschicht aus aus einer Wirbelkammer über einen Abscheider in einen Tauchtopf geführten, dort durch ein Fluidisierungsgas fluidisierte und wieder in die Wirbel­kammer zurückgeführten Feststoffen, mit Abführung von Wärme durch Kühlfächen im Reaktorraum und im Abscheider, insbe­sondere für exotherme Reaktionen, wie eine Wirbelschicht­verbrennung von Kohle.

[0002] Bei einem derartigen Wirbelschichtreaktor wird die in Rück­führzyklonen von den Rauchgasen getrennte und über einen Fallschacht dem Tauchtopf zugeführte Flugasche durch ein Gas, vorzugsweise Luft, fluidisiert und dadurch der Trans­port der Flugasche in die Wirbelbrennkammer bewerkstelligt. Nachteilig ist an den bekannten Wirbelschichtreaktoren, daß außer für den unberohrten Tauchtopf aus Gründen unterschied­licher Wärmedehnungen auch für die Nachbarbauteile, bei­spielsweise einen Rückführzyklon, die Wirbelbrennkammer und einen Fließbettkühler eine Ausmauerung erforderlich ist, um aufwendige Dehnungskompensatoren zu vermeiden. Sind die Nachbarbauteile berohrt, ist neben der Verwendung von Deh­ nungskompensatoren noch die Aufhängung an Tragrohren erfor­derlich, wodurch sich eine große Höhe der Brennstoffabwurf­stelle oberhalb des Tauchtopfes ergibt. Weiterhin werden die Anschlüsse der Asche- und Luftschächte an die Wirbel­brennkammer und, wenn vorhanden, an den Fließbettkühler kompliziert.

[0003] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorer­wähnten Nachteile zu vermeiden und eine Verbesserung des Wärmeübergangs bei gleichzeitiger Verringerung des konstruk­tiven und apparativen Aufwandes zu erreichen.

[0004] Diese Aufgabe wird bei einem Wirbelschichtreaktor der ein­gangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Wände und der Boden des Tauchtopfes vollständig berohrt sind. Hierduch läßt sich in Verbindung mit berohrten Nach­barbauteilen, wie Wirbelbrennkammer, Rückführzyklon und Fließbettkühler erreichen, daß sich ebene Wandelemente gro­ßer Rohrteilung verwenden lassen, wobei der Direktanschluß der Tauchtopfberohrung an die Rohrwände der Wirbelbettkam­mer eine zusätzliche Versteifung der Rohrwände bewirkt. Die Rohrausbeigungen der Wirbelbrennkammer-Rohrwand lassen sich eben ausführen und sind einfacher als die runden, räumlich zu biegenden Rohre eines gemauerten Systems. Wärmedehnungs­differenzen zwischen der Wirbelbrennkammer-Rohrwand, dem be­rohrten Aschefallschacht, der gegebenenfalls vorhandenen Fließbettkühler-Rohrwand und den Tauchtopf-Rohrwänden las­sen sich auf diese Weise vermeiden, so daß verschiedene, aufwendige Kompensatoren entbehrlich werden.

[0005] Vorzugsweise sind die berohrten Wände des Tauchtopfes und die anderen Rohrwände mit einem feuerfesten und verschleiß­festen Futter beschichtet, daß als Stampfmasse bestehen und mittels Stiften an den Rohrwänden festgehalten sein kann oder aber aus Formsteinen besteht. Auf diese Weise lassen sich die Dicke der Stampfmasse bzw. der Ausmauerung im gesamten Wirbelschichtreaktor mit gleicher Stärker ausfüh­ren, wodurch Spannungsspitzen in den Stoßstellen vermieden werden. Hierdurch läßt sich auch eine deutliche Verringe­rung des Temperaturgradienten im Mauerwerk bzw. in der Stampfmasse erreichen, was zu einer erheblich verkürzten An- und Abfahrzeit sowie zu einer flexibleren Betriebsweise eines Dampferzeugers mit zirkulierender Wirbelschichtfeue­rung führt, wenn die Tauchtopfberohrung und das Verrohrungs­system des Reaktorraums und des Abscheiders integrale Be­standteile eines Dampfkessels sind.

[0006] Vorzugsweise ist der Tauchtopf über mindestens einen Fest­stoffallschacht mit dem Abscheider und über mindestens ein Wehr- und einen weiteren, Fallschacht mit der Wirbelkammer verbunden. Dabei sind der Tauchtopf und die Schächte unmit­telbar an die Wirbelkammer mit gemeinsamen Rohrwänden ange­baut, so daß sich der Tauchtopf wärmedehnungsneutral an seinen Überströmröhren aufhängen läßt.

[0007] Ist der Tauchtopf etwa in Höhe der Wirbelkammer angeordnet, und werden die für die Reaktion im Wirbelschichtreaktor bestimmten Feststoffe über mindestens eine Falleitung im Bereich des Übergangs oberhalb des Tauchtopfs und des Fall­schachts zur Wirbelkammer geführt, lassen sich besonders vorteilhafte Abwurfhöhen für den Brennstoff und gegebenen­falls für Sorbentien erreichen. Dies begüngstigt ein inten­sives Vermischen des Brennstoffs und der Sorbentien mit der zirkulierenden Asche, wodurch sich eine längere Verweilzeit des Brennstoffes und der Sorbentien sowie feuerungstech­ nisch bzw. für das Einbinden von Schwefeldioxyd und der Halogene im Rauchgas günstigen Bedingungen erreichen las­sen. Auf diese Weise läßt sich eine Verbesserung des Feue­rungswirkungsgrades und eine Erhöhung des Schadstoffeinbin­degrades erreichen.

[0008] Besonders günstige Verhältnisse für das Einspeisen von Brennstoff und Sorbentien sowie für die Rezirkulation der Asche lassen sich dann erreichen, wenn der Tauchtopf vor­zugsweise quaderförmig mit im Boden angeordneten Fluidi­sierungsdüsen gestaltet und der über den Abscheider mit dem Reaktorraum verbundene Fallschacht mittig sowie in den Tauchtopf eintauchend angeordnet ist, zwei Wehre beider­seits des Fallschachts oberhalb dessen Mündung angeordnet sind, zwei weitere Fallschächte von den Wehren ausgehend seitlich in der Wirbelkammer etwa in der Höhe des Tauchtopf­bodens münden und am oberen Ende eines jeden Fallschachts je eine Falleitung für die Feststoffzufuhr mündet.

[0009] Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier in der Zeich­nung dargestellter Ausführungsbeispiele des näheren erläu­tert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1      einen senkrechten Schnitt durch einen Wirbel­schichtreaktor

Fig. 2      einen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 4 des erfindungsgemäßen Tauchtopfs eines anderen Wirbelschichtreaktors,

Fig. 3      einen senkrechten Schnitt entlang der Linie B-B in Fig. 2 des erfindungsgemäßen Tauchtopfs

Fig. 4      einen senkrechten Schnitt entlang der Linie C-C in Fig. 2

Fig. 5      einen senkrechten Schnitt entlang der Linie D-D in Fig. 2 und

Fig. 6      einen Schnitt entlang der Linie E-E in Fig. 2.

[0010] Ein vollständig berohrter Wirbelschichtreaktor 1 mit einem Reaktorraum 2 ist an seinem unteren Ende mit einer Wirbel­kammer 3 versehen. Der Reaktorraum 2 ist über einen Abschei­der 4 und einen Fallschacht 6 mit einem Tauchtopf 5 verbun­den. In die Wirbelkammer 3 gelangt über Fluidisierungsdüsen 10 ein Fluidisierungsgas, das über eine Fluidisierungsgas­leitung 1 herangeführt wird. In der Wirbelkammer 3 befindet sich ein Feststoffgemisch beispielsweise aus Kohlenstaub, zirkulierender Asche und Sorbentien zum Einbinden von Schwe­feldioxyd und Halogenen. Dieses Feststoffgemisch wird durch das Fluidisierungsgas beispielsweise Luft, in der Schwebe gehalten, wobei der Brennstoff verbrennt und gleichzeitig das bei der Verbrennung entstehende Schwefeldioxyd und die freiwerdenden Halogene durch die Sorbentien absorbiert wer­den. Die Rauchgase sowie ein Teil der Asche und der Sorben­tien werden durch den Reaktorraum 2 über den Abscheider 4 ausgetragen und fallen durch den Fallschacht 6 in den Tauchtopf 5, während die im wesentlichen staubfreien Rauch­gase über eine Abgasleitung 7 abgeleitet werden. Im Tauch­topf 5 wird mittels weiterer Fluidisierungsdüsen 10, in die Fluidisierungsgas durch die Leitung 11 eintritt, eine Wir­belschicht aufrechterhalten, die bis zur Höhe eines Wehrs 8 reicht.

[0011] Ein Teil der Asche im Tauchtopf 5 wird über eine nicht dar­gestellte Leitung abgezogen, während ein anderer Teil stän­dig über das Wehr 8 übertritt und über einen Fallschacht 9 in die Wirbelkammer 3 zurückfällt. Oberhalb des Fall­schachts 9 ist eine Falleitung 15 für Feststoffe angeord­net, über die der Brennstoff und die Sorbentien zugeführt werden.

[0012] Die Wände des Reaktorraums 2, der Wirbelkammer 3, des Ab­scheiders 4, des Tauchtopfs 5 und des Wehrs 8 bestehen aus Rohrwänden 12, 16, 17 und bilden miteinander verbundene Kühlfächen für den Wirbelschichtreaktor 1. Die gesamten Innenflächen dieser Rohrwände 12, 16, 17 sind mit Stiften 14 versehen und mit einer Stampfmasse 13 beschichtet, die die Rohrwände vor Erosion durch die zirkulierenden Fest­stoffe schützt

[0013] Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist der Tauchtopf 5 im wesentlichen U-förmig gestaltet, dessen Fallschacht 6 über eine Fallschachtmündung 18 in den eigentlichen Tauch­topfbereich übergeht. In den Tauchtopft 5 taucht eine Trenn­wand 19 ein, die bewirkt, daß die Rauchgase nur aus der Abgasleitung 7 austreten nicht aber in den Wirbelschicht­reaktor 1 übertreten können.

[0014] Das Ausführrungsbeipiel gemäß Fig. 2 bis 6 weist für gleiche Teile die gleichen Bezugsziffern auf. Es unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeipiel dadurch, daß der Tauchtopf 5 quaderförmig ausgebildet und quer vor der Wirbelkammer 3 angeordnet ist, die nur mit ihrer einen Rohrwand 12 mit der Stampfmasse 13 dargestellt ist. Der Fallschact 6 mündet mittig in den Tauchtopf 5 und ist schmaler als der Tauchtopf. Der Fallschacht 6 ist von zwei seitlich dazu angeordneten Wehren 8 durch zwei Trennwände 19 getrennt. Die im Tauchtopf 5 in einem Wirbelbett in Bewegung gehaltenen Feststoffe treten über die Wehre 8 in zwei parallele Fallschächte 9 ein, die in der Wirbelkammer 3 münden. Oberhalb eines jeden Fallschachts 9 ist je eine Falleitung 15 für Feststoffe angeordnet, über die Brenn­stoff und Sorbentien der Wirbelkammer 3 zugeführt werden.

[0015] Die Asche wird somit aus der Wirbelkammer 3 über einen nicht dargestellten Rückführzyklon und den Fallschacht 6 mit der Mündung 18 dem Tauchtopf 5 zugeführt und gelangt über die Wehre 8 wieder in die Wirbelkammer 3 zurück. Ein Teil der Asche wird in nicht dargestellter Weise abgeführt. Die Menge dieser abgeführten Asche entspricht der Menge der über die Falleitungen 15 zugeführten unverbrennbaren Restbe­standteile des Brennstoffs und der Sorbentien.

[0016] Alle Wände des Wirbelschichtreaktors 1 mit dem Reaktorraum 2 und der Wirbelkammer 3, des Tauchtopfs 5, sowie die Wehre 8 und die Trennwände 19 sind wie im Beispiel der Fig. 1 vollständig berohrt und durch ein verschleißfestes Futter 13 gegen Erosion durch die rezirkulierende Asche geschützt. Der Tauchtopf 5 ist direkt an die Wirbelkammer 3 angebaut.

Ansprüche

1. Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender Wirbelschicht aus aus einer Wirbelkammer über einen Abscheider in einen Tauchtopf geführte, dort durch eine Fluidisie­rungsgas fluidisierte und wieder in die Wirbelkammer zurückgeführten Feststoffen, mit Abführung von Wärme durch Kühlflächen im Reaktorraum und im Abscheider, insbesondere für exotherme Reaktionen, wie eine Wirbel­schichtverbrennung von Kohle, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (16) und der Boden (17) des Tauchtopfes (5) vollständig berohrt sind.

2. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die berohrten Wände (16, 17) des Tauch­topfes (5) mit einem feuerfesten und verschleißfesten Futter (13) beschichtet sind.

3. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Rohrwände (12, 16, 17) bestiftet und mit einer Stampfmasse (13) beschichtet sind.

4. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Rohrwände (12, 16, 17) mit einer Ausmauerung aus Formsteinen beschichtet sind.

5. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchtopf (5) über mindestens einen Feststoffallschacht (6) mit dem Abscheider (4) und über mindestens ein Wehr (8) und einem Fallschacht (9) mit der Wirbelkammer (3) in Verbindung steht.

6. Wirbelschichtreaktor nach einem oder mehreren der An­sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauch­topfberohrung (16, 17) und das Verrohrungssystem (12) des Reaktorraums (2) und des Abscheiders (4) integrale Bestandteile eines Dampfkessels sind.

7. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Tauchtopf (5) und die Schächte (6, 9) unmittelbar an die Wirbelkammer (3) mit gemeinsamen Rohrwänden (12) angebaut sind.

8. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Tauchtopf (5) wärmedehnungsneutral an seinen Überströmröhren aufgehängt ist.

9. Wirbelschichtreaktor nach einem oder mehreren der An­sprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauch­topf (5) etwa in Höhe der Wirbelkammer (3) angeordnet ist.

10. Wirbelschichtreaktor nach einem oder mehreren der An­sprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Reaktion im Wirbelschichtreaktor (1) bestimmten Feststoffe über mindestens eine Falleitung (15) im Bereich des Übergangs oberhalb des Tauchtopfs (5) und des Fallschachts (9) zur Wirbelkammer (3) geführt wer­den.

11. Wirbelschichtreaktor nach einem oder mehreren der An­sprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchtopf (5) quaderförmig mit im Boden (17) angeord­neten Fluidisierungsdüsen (10) gestaltet ist, der über den Abscheider (4) mit dem Reaktorraum (2) verbundene Fallschacht (6) mittig und in den Tauchtopf (5) ein­tauchend angeordnet ist, zwei Wehre (8) beiderseits des Fallschachts (6) oberhalb dessen Mündung (18) an­geordnet sind, zwei weitere Fallschächte (9) von den Wehren (8) augehend seitlich in der Wirbelkammer (3) etwa in der Höhe des Tauchtopfbodens (17) münden und am oberen Ende eines jeden Fallschachts (9) je eine Falleitung (15) für die Feststoffzufuhr mündet.

Zeichnung