[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbrennung von festen,
flüssigen, gasförmigen oder pastösen Stoffen in einem Wirbelschichtofen, in welchem
die Wirbelschicht durch zumindest eine, vorzugsweise lotrechte Trenneinrichtung und
in zumindest zwei Bereiche unterteilt wird, die mit einem sauerstoffhältigen, im wesentlichen
vertikal eingeblasenen Gas unterschiedlich fluidisiert werden, sodaß Bereiche mit
aufwärts, bzw. abwärts gerichteter Feststoffströmung, d.h. eine interne Zirkulation
des Feststoffes in der Wirbelschicht entsteht, wobei dem zirkularströmenden Bettmaterial
Wärme entzogen wird.
[0002] In der Fachzeitschrift "Chem.-Ing.-Tech." 55 (1983) No. 3 S 185-194 wird im Artikel
"Die Wirbelschicht in der Feuerungstechnik - Stand und Aussichten" von H.D. Schilling,
der Stand der Technik auf diesem Gebiet ausführlich erläutert. Es werden drei Varianten
der Wirbelschicht genannt, nämlich die "stationäre" Schicht, die in die sogenannte
"Tiefbettechnik" und in die "Flachbettechnik" unterteilt wird, und in die "instationäre"
Schicht. Bei der Tiefbettechnik können sich Wirbeischichthähen von etwa 1,5 bis 4m
ausbilden, während sich bei der Flachbettechnik Schichthöhen von etwa 20cm ausbilden.
Bei der instationären Wirbelschicht wird das gesamte Material über einen externen
Zyklon umgewälzt. Durch die Wirbelschichtfeuerung konnten im Vergleich zu anderen
Feuerungsarten, wie Rostfeuerung (Festschicht) und Staubfeuerung (Flugstaubwolke)
wesentliche Fortschritte erzielt werden, insbesondere hinsichtlich der Emissionen.
Es ist bekannt, in die Wirbelschicht Wärmetauscher einzubauen, meist in Form horizontal
liegender Rohrbündel, die jedoch durch die unregelmäßigen Bewegungen des Bettmaterials
starken Erosionen ausgesetzt sind. Diese Erosionen sind umso stärker, je mehr der
Wärmetauscher der Partikelbewegung entgegenwirkt, die durch die aufsteigenden Blasen
verursacht werden.
[0003] Ein weiterer Nachteil der bekannten Wirbelschichtfeuerung besteht darin, daß ein
mit dem Brennstoff eingetragenes nicht fluidisierbares Material sich an den mit Gas-
bzw. Luftauslässen bestückten Bodenplatten des Gas- bzw. Luftverteilsystems ablagert,
wodurch die Gas- bzw. Luftverteilung beeinträchtigt wird. Die Besetzung solcher Nachteile
ist nur im Stillstand der Anlage möglich.
[0004] Ein zusätzliches Problem bei bekannten Anlagen stellt der Feinkornanteil im Brennstoff
dar, wodurch Verluste durch Unverbranntes in der Flugasche in Kauf genommen werden
müssen.
[0005] Durch die DE-PS 24 08 649 ist ein Wirbelschichtofen der eingangs genannten Art bekannt,
bei welchem als Trenneinrichtung ein Zylinder vorgesehen ist, der das Bett in eine
erste und eine zweite Wirbelschicht unterteilt, wobei das Bettmaterial in der ersten
Wirbelschicht außerhalb des Zylinders nach unten und in der zweiten Wirbelschicht
innerhalb des Zylinders nach oben strömt, sodaß die zirkulare Strömung des Bettmaterials
entsteht. Die Verbrennung findet im wesentlichen in der zweiten Wirbelschicht statt,
während in der ersten Wirbelschicht ein Wärmetausch mit dem wassergefüllten Hohlmantel
des Ofens stattfindet. Der Brennstoff wird innerhalb des Zylinders in die nach oben
gerichtete Strömung des Bettmaterials eingebracht. Unterhalb de& Zylinders ist eine
perforierte Platte angebracht, über welche Gas. bzw. Luft eingeblasen wird. Durch
Änderung der Gas- bzw. Luftgeschwindigkeit kann die Zirkulationsgeschwindigkeit des
Bettmaterials geändert und damit die Wärmeabgabe bzw.. Verbrennung gesteuert werden.
Obgleich sich im Vergleich zu den oben genannten "stationären" und "instationären"
Wirbelschichten Vorteile, wie z.B. eine gleichmäßigere Brennstoffverteilung ergeben,
besteht anderseits der Nachteil, daß sowohl die Verbrennung als auch die Wärmeabgabe
in jeweils nur einer der Wirbelschichten stattfinden, sodaß keine optimale Lösung
vorliegt. Außerdem wird durch das Einbringen des Brennstoffs in die nach oben gerichtete
Strömung die Verweilzeit des Brennstoffs verkürzt. Schließlich können die Perforierungen
der Platte für die Gas- bzw. Luftzufuhr leicht verstopft werden.
[0006] Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Wirbelschichtofens, bei
welchem obige Nachteile vermieden werden können, wobei erreicht werden soll, daß eine
Anpassung an die jeweiligen Anforderungen des Brennstoffs ermöglicht wird, sodaß ein
breiteres Band an Brennstoffmaterialien verfeuert werden kann. Außerdem soll insbesondere
durch ein verbessertes Gas- bzw. Luftverteilsystem das Teillastverhalten verbessert
werden und einheitliche Verbrennungsbedingungen geschaffen werden, sodaß im Bett kaum
Temperaturunterschiede auftreten. Zusätzlich soll auch die Art des Beschickungssystems
im Vergleich-zu bekannten Anlagen verbessert und vereinfacht werden, da hiefür derzeit
ein relativ großer anlagentechnischer Aufwand erforderlich ist.
[0007] Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht,
daß erfindungsgemäß der überwiegende Teil des zu verbrennenden Stoffes in zumindest
einen der weniger fluidisierten Bereiche, d.h. in Bereiche mit abwärts gerichteter
Feststoffströmung eingebracht wird.
[0008] Unter Bereiche mit abwärts :-gerichteter Feststoffströmung wird auch ein Bereich
verstanden, bei welchem die Strömung neben der lotrechten Bewegungskomponente auch
eine waagrechte Bewegungskomponente aufweist.
[0009] In Ausgestaltung des Verfahrens ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Bereiche
der Brennstoffaufgabe mit unterstöchiometrischer einstellbarer Sauerstoffzufuhr betrieben
werden, sodaß die Verbrennung abgestuft durchgeführt wird, wodurch die Schadstoffemissionen
insbesondere die NOx-Bildung verringert werden.
[0010] In vorteilhafter Weise können erfindungsgemäß die nicht fluidisierbaren Aschenteile
während des Betriebes unterhalb der Einbringvorrichtung für das sauerstoffhältige
Gas durch zusätzliches zeitweiliges Einblasen von Luft bzw. Gas unterhalb der Einbringvorrichtung
vom übrigen Bettmaterial getrennt und abgezogen werden.
[0011] Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens unter Verwendung zumindest einer
Trenneinrichtung, unterhalb welcher eine Gaszufuhreinrichtung angeordnet ist, ist
erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse des Wärmetauschers zumindest
für die Zu- und bzw. oder die Abfuhr des Wärmeträgermediums nach unten über unterhalb
des Wärmetauschers liegende Gaszufuhreinrichtungen für das sauerstoffhältige Gas zum
Boden des Ofens geführt sind.
[0012] Durch die Ausbildung der Trenneinrichtung als Wärmetauscher kann die Verbrennungstemperatur
unterhalb des Ascheerweichungspunktes gehalten werden, und durch._Zugabe`von_Sorbentmaterial
eine erhebliche Reduktion von Schadstoffen direkt im Bett erreicht werden. Eine lotrechte
Anordnung der als Wärmetauscher verwendeten Trennwand bewirkt außerdem eine starke
Verminderung der Erosionen, die bei waagrechter Anordnung der Wärmetauscher zu erheblichen
Problemen führen. Im Bett können erfindungsgemäß zumindest zwei vorzugsweise nebeneinanderliegende
Wärmetauscher vorgesehen sein. Auf diese Weise können Anlagen beliebiger Größe und
Leistung erstellt werden.
[0013] Zur einfachen Steuerung der Wärmeabgabe an den Wärmetauscher weist der Wärmetauscher
erfindungsgemäß zumindest zwei Sekundärkreisläufe auf, sodaß durch wahlweise Inbetriebnahme
der Sekundärkreisläufe die Verbrennungstemperatur regelbar ist.
[0014] Eine andere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher
als zylindrischer Hohlkörper ausgebildet ist, der vorzugsweise mit zumindest zwei
Hohlräumen versehen ist, wobei jeder Hohlraum mit Anschlüssen für die Zu- und Abfuhr
des Wärmeträgermediums versehen ist.
[0015] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher
als konusförmiger Hohkörper ausgebildet ist, der vorzugsweise mit zumindest zwei Hohlräumen
versehen ist, wobei jeder Hohlraum mit Anschlüssen für die Zu- und Abfuhr des Wärmeträgermediums
versehen ist.
[0016] Des weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Gaszufuhreinrichtungen für das
sauerstoffhältige Gas in jedem der durch den Wärmetauscher unterteilten Bereiche aus
einer Mehrzahl von Gasauslässen besteht, die über spinnenförmig angeordnete Verteilerrohre
mit zumindest zwei Gaszufuhrrohren verbunden sind.
[0017] Des weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß unterhalb der Gaszufuhreinrichtungen
eine Schleuse zum Entleeren des Bettmaterials aus dem Ofen und zum Austragen von nicht
fluidisierbaren Anteilen des Bettmaterials angeordnet ist, wobei zwischen den Gaszufuhreinrichtungen
und der Schleuse ein separat mit Luft oder Gas gespeister Luft- bzw. Gaseinlaß zur
zeitweiligen Fluidisierung des oberhalb der Schleuse befindlichen Bettmaterials angeordnet
ist.
[0018] Zwischen den Gaszufuhrrohren und den spinnenförmig angeordneten Verteil röhren ist
genügend Platz, sodaß die nicht fluidisierbaren Materialien nach unten wandern und
aus dem Ofen ausgeschleu.st werden können. Der Teil des Ofens unterhalb des Gasverteilsystems
ist mit Bettmaterial gefüllt. Durch das zeitweilige Einblasen von Luft oder Gas über
den Luft- bzw. Gaseinlaß knapp oberhalb der Schleuse, die sich an der tiefsten Stelle
im Ofen befindet, gelangen die nicht fluidisierbaren Materialien nach unten. Durch
diese Maßnahme ist es möglich nicht fluidisierbare Materialien mit einer nur geringen
Menge Bettmaterial .aus dem Ofen auszuschleusen. Dies kann auch während des Betriebes
geschehen, wobei die eingeblasene Luft oder das Gas neben der Fluidisierung auch zur
Kühlung der auszuschleusenden Materialien dient. Gegebenenfalls können auch Wärmetauscher
zur Kühlung des auszutragenden Bettmaterials verwendet werden.
[0019] Als Beschickungseinrichtungen für das Einbringen des Brennstoffs in die nach abwärts
gerichtete Strömung des Bettmaterials sind Stopfschnecken, Schnecken, pneumatisch
betriebene Lanzen, Wurfbeschicker, Fallschurren od.dgl. einzeln oder in Kombination
vorgesehen. Zumindest eine Beschickungseinrichtung kann an der Ofenwand oberhalb oder
unterhalb der Bettoberfläche vorgesehen sein. Des weiteren kann zumindest eine Beschickungseinrichtung
innerhalb des Ofens vorgesehen sein.
[0020] Ober Stopfischnecken, Schnecken, Wurfbeschicker, oder Fallschurren können insbesondere
grobe und feuchte Brennstoffe eingebracht werden, während feinkörnige und trockene
Brennstoffe vorzugsweise über pneumatisch betriebene Lanzen eingebracht werden.
[0021] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Wirbelschichtofen in schematischer Darstellung, und
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Gaszufuhreinrichtung des Ofens nach Fig. 1.
[0022] In Fig. 1 bezeichnet 1 einen zylindrischen Teil des Wirbelschichtofens, in welchem
sich die Wirbelschicht ausbildet. Als Trenneinrichtung dient ein Wärmetauscher 2 in
Form eines zylindrischen Hohkörpers 2', der mit einem Kühlmittal, z.B. Wasser, gefüllt
ist und eine Zuleitung 3 und eine Ableitung 4 für das wärmeträgermedium aufweist.
Durch den Hohlkörper 2' wird die Wirbelschicht in einen kreisförmigen inneren Bereich
und in einen kreisringförmigen äußeren Bereich unterteilt. Dementsprechend ist auch
die Gaszufuhreinrichtung 5 für das sauerstoffhältige Gas ebenfalls in einen kreisförmigen
inneren Bereich und in einen kreisringförmigen äußeren Bereich unterteilt, die getrennt
über zwei Gaszufuhrrohre 6, 7 mit sauerstoffhältigem Gas versorgt werden, sodaß das
Bettmaterial in beiden Bereichen unterschiedlich fluidisiert werden kann. Ist die
Strömungsgeschwindigkeit des Gases im inneren Bereich höher als im äußeren Bereich,
so wird sich die in Fig. 1 dargestellte Strömung des Bettmaterials ausbilden, d.h.
das Bettmaterial strömt im inneren Bereich nach oben und im äußeren Bereich nach unten.
Eine Verbindung zwischen den beiden Bereichen besteht sowohl oberhalb des Hohlkörpers
2
1 als auch unterhalb, wodurch die Zirkulation des Bettmaterials ermöglicht wird. In
der Höhe des Hohlkörpers 2
1 befindet sich an der ofenwand eine Stopfschnecke 8 als Beschickungseinrichtung für
grobes und feuchtes Brennmaterial. Als weitere Beschickungseinrichtung ist eine Lanze
9 vorgesehen, die mit einem Rohr 10 verbunden ist und zur pneumatischen Einbringung
von trockenem und feinkörnigem aber auch von flüssigem und pastösem Brennmaterial
dient.. Anstatt oder neben der Stopfschnecke 8 kann eine Lanze (nicht dargestellt)
von der Seite durch die Ofenwand führend vorgesehen sein. Die Lanze 9 endet in der
Höhe des Hohkörpers 2
1. Damit der Brennstoff beim Einbringen über die Lanze 9 in den nach unten strömenden
Teil des Bettmaterials eintritt, wird die in Fig. 1 dargestellte Strömungsrichtung
umgekehrt, d.h. die Strömungsgeschwindigkeit des Gases im äußeren Bereich wird höher
als im inneren Bereich gewählt. Als Beschickungseinrichtungen können auch Wurfbeschicker
oder Fallschurren (nicht dargestellt) in der Ofenwand angeordnet sein.
[0023] Unterhalb der Gaszufuhreinrichtung 5 verengt sich die Ofenwand konisch und endet
in einer Schleuse 11, die zum Austragen von nicht fluidisierbarem Material dient.
Oberhalb der Schleuse 11 ist ein Luft- bzw. Gaseinlaß 12, z.B. in Form eines Düsenrings,
angeordnet, der über eine Leitung 13 mit Luft oder Gas versorgt wird. Mit dem Düsenring
kann das ansonsten ruhende Bettmaterial unterhalb der Gaszufuhreinrichtung 5-zeitweilig
fluidisiert werden, wodurch nicht fluidisierbares Material nach unten gelangt und
nur mit einem geringen Anteil an Bettmaterial über die Schleuse 11 ausgetragen werden
kann. Das Rauchgas gelangt von der wirbelschicht in einen Freiraum 14 und verläßt
den Ofen beim Abzug 15. Neben dem Abzug 15 ist eine gewichtsbelastete Sicherheitsklappe
16 angeordnet. Im Bereich des Freiraums 14 trägt die Ofenwand Flossenwände 17, in
welchen ein Heizmedium erhitzt wird. Die Flossenwände 17 sind mit einer Zuleitung
18 und mit einer Ableitung 19 für das Heizmedium versehen.
[0024] Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, gehen von den Gaszufuhrrohren 6 und 7 spinnenförmig
angeordnete Verteilerrohre 20 aus, an deren Enden Gasausl.ässe 21 angeordnet sind.
Aus Gründen der besseren übersicht ist nur ein Teil der Verteilerrohre 20 mit den
Gasauslässen 21 dargestellt. Die Zuleitung 3' und die Ableitung 4' führen zwischen
den Gasauslässen 21 hindurch zum Boden des Ofens, sodaß die Zu- und Ableitungen gleichzeitig
eine Tragfunktion für den Wärmetauscher 2 übernehmen können.
[0025] Die Erfindung wurde anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben, bei
welchem der Wärmetauscher 2 als zylindrischer Hohlkörper 2' ausgebildet ist. Der Wärmetauscher
2 kann aber auch von dieser Form abweichen. Im einfachsten Fall kann der Wärmetauscher
2 eine mittige, senkrecht stehende Hohlwand sein. Es können aber auch eine Mehrzahl
von Hohlwänden angeordnet sein, die entweder sternförmig angeordnet sein können, oder
aber in sich geschlossen ein Vieleck bilden. Auf diese Weise kann eine Mehrzahl von
Bereichen unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten und damit eine Mehrzahl von
zirkularen Strömungen erzeugt werden. Des weiteren können mehrere Wärmetauscher beliebiger
Form nebeneinander angeordnet werden, um die Wärmeabgabeleistung zu erhöhen. Zusätzlich
kann jeder Wärmetauscher 2 zumindest zwei Sekundärkreisläufe aufweisen. Vorzugsweise
ist jedoch jeder Wärmetauscher 2 entweder als zylindrischer oder als konusförmiger
bzw. kegelstumpfförmiger Hohlkörper mit zumindest zwei Hohlräumen ausgebildet, wobei
jeder Hohlraum mit Anschlüssen für die Zu- und Abfuhr des Wärmeträgermediums versehen
ist. Im Fall der konusförmigen Ausbildung des Wärmetauschers 2 kann die Konusspitze
nach oben oder unten weisen, wobei die Außenwand des Wärmetauschers bevorzugt einen
Winkel von maximal 25° zur lotrechten einnehmen kann. Der Wärmetauscher 2 kann auch
als Kombination eines zylindrischen Hohlkörpers mit einem oder zwei konusförmigen
Hohlkörpern ausgebildet sein.
1. Verfahren zur Verbrennung von festen, flüssigen, gasförmigen oder pastösen Stoffen
in einem Wirbelschichtofen, in welchem die Wirbelschicht durch zumindest eine, vorzugsweise
lotrechte Trenneinrichtung in zumindest zwei Bereiche unterteilt wird, die mit einem
sauerstoffhältigen, im wesentlichen vertikal eingeblasenen Gas unterschiedlich fluidisiert
werden, sodaß Bereiche mit aufwärts, bzw. abwärts gerichteter Feststoffströmung, d.h.
eine interne Zirkulation des Feststoffes in der Wirbelschicht entsteht, wobei dem
zirkularströmenden Bettmaterial Wärme entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der
überwiegende Teil des zu verbrennenden Stoffes in zumindest einen der weniger fluidisierten
Bereiche, d.h. in Bereiche mit abwärts gerichteter Feststoffströmung eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche der Brennstoffaufgabe
mit unterstöchiometrischer einstellbarer Sauerstoffzufuhr betrieben werden, sodaß
die Verbrennung abgestuft durchgeführt wird.
3. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß nicht fluidisierbare Ascheantei le während des Betriebes unterhalb der Einbringvorrichtung
für das sauerstoffhältige Gas durch zusätzliches zeitweiliges Einblasen von Luft bzw.
Gas unterhalb der Einbringvorrichtung für das sauerstoffhältige Gas vom Übrigen Bettmaterial
getrennt und abgezogen werden.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 unter Verwendung zumindest
einer Trenneinrichtung, unterhalb welcher eine Gaszufuhreinrichtung angeordnet ist,
wobei die Trenneinrichtung zumindest teilweise als Wärmetauscher ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (3', 4') des Wärmetauschers (2) zumindest
für die Zu- und/oder für die Abfuhr des Wärmeträgermediums nach unten über unterhalb
des Wärmetauschers (2) liegende Gaszufuhreinrichtungen (5) für das sauerstoffhältige
Gas zum Boden des Ofens geführt sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (2)
zumindest zwei Sekundärkreisläufe aufweist, sodaß durch wählweise Inbetriebnahme der
Sekundärkreisläufe die Verbrennungstemperatur regelbar ist.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4:und 5, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Wärmetauscher (2) als zylindrischer Hohlkörper (2') ausgebildet
ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Bett zumindest zwei
vorzugsweise nebeneinanderliegende Wärmetauscher (2) vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zylindrische
Hohkörper (2') zumindest zwei Hohlräume aufweist, wobei jeder Hohlraum mit Anschlüssen
für die Zu- und Abfuhr des Wärmeträgermediums versehen ist.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher
(2) als konusförmiger Hohlkörper ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4, 5 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder
konusförmige Hohkörper zumindest zwei Hohlräume aufweist, wobei jeder Hohlraum mit
Anschlüssen für die Zu- und Abfuhr des Wärmeträgermediums versehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhreinrichtungen
(5) in jedem der durch den Wärmetauscher (2) unterteilten Bereiche aus einer Mehrzahl
von Gasauslässen (21) besteht, die über spinnenförmig angeordnete Yerteilerrohre (20)
mit zumindest zwei Gaszufuhrrohren (6, 7) verbunden sind.
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb
der Gaszufuhreinrichtungen (5) eine Schleuse (11) zum Entleeren des Bettmaterials
aus dem Ofen und zum Austragen von nicht fluidisierbaren Anteilen des Bettmaterials
angeordnet ist, wobei zwischen den Gaszufuhreinrichtungen (5) und der Schleuse (11)
ein separat mit Luft oder Gas gespeister Luft- bzw. Gaseinlaß (12) zur zeitweiligen
Fluidisierung des oberhalb der Schleuse (11) befindlichen Bettmaterials angeordnet
ist.