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Vorrichtung zur Verbrennung und Erwärmung kohlenstoffhaltiger Feststoffteilchen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verbrennung und Erwärmung körniger
kohlenstoffhaltiger Feststoffe, wie Koks, der bei einem Wirbelschichtverfahren zur
Verkokung schwerer Kohlenwasserstofföle entsteht, insbesondere auf eine verbesserte
Wirbelschicht-Verbrennungskammer, in der feinkörnige kohlenstoffhaltige Feststoffe
zur Regeneration- und/oder Wärmeerzeugung ganz oder teilweise verbrannt werden.
Zu derartigen Regenerationsverfahren zählen Oxydation, Reduktion, Entschwefelullg
und andere besondere Behandlungen der festen Stoffe.
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Diese Feststoffe können katalytische oder nichtkatalytische Stoffe
sein, die eine Regeneration für den weiteren Gebrauch erfordern. Die vorliegende
Erfindung läßt sich jedoch ganz besonders zur Beschaffung feinkörniger wärmeübertragender
Feststoffe anwenden, z. B. solcher, die für die Wärmecraclrung schwerer kohlenwasserstoffhaltiger
Ausgangsstoffe, wie reduzierter Rohöle, dienen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere
auf eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Verteilung der einer Feststoffwirbelschicht-Verbrennungskammer
zugeführten Verbrennungsluft innerhalb der Wirbelschicht.
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Bei einem typischen katalytischen Wirbelschicht-Crackverfahren wird
die Katalysatorschicht im Regenerator mit Luft aufgewirbelt und gleichzeitig zur
Regeneration oxydiert, wobei die Luft gleichmäßig durch ein über dem Boden des Regenerators
befindliches Gitter innerhalb der Schicht verteilt wird. Das Gitter besteht aus
einer gelochten Platte, durch die die Luft in die Schicht eintritt.
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Bei der Wirbelschichtverkokung von Kohlenwasserstoffölen jedoch erwies
sich eine derartige Anlage als unvorteilhaft. Der Koks aus der Schicht in der Verbrennungskammer
fällt leicht - insbesondere bei Druckanstiegen - durch die Gitteröffnungen, verbrennt
in der sauerstoffreichen Zone unter dem Gitter und verursacht schädlich hohe Temperaturen.
Bei der Regeneration eines Katalysators, der ja normalerweise nur wenige Prozent
Kohlenstoff, z. B. etwa 30/o, enthält, verursacht der durch das Gitter fallende
Katalysator nicht diese störend hohen Temperaturen, da der Kohlenstoff im Katalysator
bald verbraucht ist. Bei einem Wirbelschicht-Verkokungssystem dagegen, bei dem die
zu erhitzenden Feststoffe nahezu ganz aus Kohlenstoff bestehen, kann sich t unter
dem Verteilergitter so viel Kohle ansammeln, daß unerwünscht hohe Temperaturen entstehen
können.
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Mit der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Zufuhr und Verteilung
von Luft in eine Verbrennungskammer eines Wirbelschicht-Verkokungssystems für Kohlenwasserstofföle
geschaffen worden, wobei die bei den gewöhnlichen Luftverteilergittern der üblichen
Wirbelschicht-Verbrennungsanlagen leicht auftretenden unerwünscht hohen Temperaturen
nicht vorkommen können.
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Da der einzige Zweck einer Verbrennungskammer bei einem Wirbelschicht-Verkokungssystem
die Dekkung des Wärmebedarfs in der Verkokungskammer ist, ist der Betrieb dieser
Verbrennungskammer im Vergleich zu einem Regenerator für Crad4atalysatoren verhältnismäßig
einfach; d. h., bei einer Wi rb el schicht-Koksverb rennungs anlage besteht nicht
die große Gefahr einer Überhitzung der Feststoffe.
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Dagegen liegt hier die Schwierigkeit in der Luftverteilung innerhalb
der dichten Wirbelschicht auf solche Weise, daß keine Stauzonen mit brennendem Koks
auftreten, dessen Wärme zu Beschädigungen der Verbrennungskammer führen könnte.
Die Ausschaltung der Gefahr bei einer Verbrennungskammer mit Wirbelschicht aus körnigem
Koks, daß der Koks in sauerstoffreichen Zonen verbrennt oder sich absetzt und auf
benachbarten Flächen verbrennt, wird mit der Erfindung erreicht.
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Außerdem wird in der Vorrichtung zur Verbrennung kohlenstoffhaltiger
feinkörniger Feststoffe in der Verbrennungskammer eine Vorrichtung zur Wärmeerzeugung
für die Einleitung der Verbrennungsreaktion innerhalb der Kammer eingebaut, und
die Anlage für die gleichmäßige Einführung eines freien Sauerstoff enthaltenden
Gases in die Kammer zur Aufrechterhaltung der Verbrennungsreaktion eingerichtet.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen noch ausführlicher erläutert.
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Fig. I ist eine schematische, teilweise im Schnitt gezeigte Ansicht
einer Verbrennungskammer, die nach der vorliegenden Erfindung zu verwenden ist,
und zeigt in deren Unterteil eine hierfür bevorzugte Luftvertei lungsvorrichtung.
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Fig. II zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen Teil der Anlage
nach Fig. 1 entlang den dort angegebenen Schnittlinien II-II.
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Fig. III ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Anlage von
Fig. 1, insbesondere des von dem gestrichelten Kreis VI eingeschlossenen Teils.
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Fig. IV zeigt eine weitere zur Durchführung der Ziele der vorliegenden
Erfindung geeignete Form der Luftverteilungsvorrichtung; außerdem zeigt die Figur
eine besondere Form einer Verbrennungsvorrichtung, die sich für die Zufuhr heißer
gasförmiger Verbrennungsprodukte nach der Verbrennungskammer eignet.
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In den Zeichnungen sind gleiche Teile mit den gleichen Ziffern bezeichnet.
Die Zahl 1 bezeichnet eine Verbrennungskammer, die für die teilweise Verb rennung
und Erwärmung von körnigem Koks in einem Wi rbelschicht-Verkokungssystem für Kohlenwasserstoff
dient. Die Kammer besitzt einen konischen Bodenteil und kann eine bis zu einer oberen
Grenzfläche L reichende Wirbelschicht aus Koksteilchen aufnehmen, die darin verbrannt
werden. Bei der hier gezeigten Bauart bezeichnet 2 einen Teil eines Zuleitungssystems
für die Herausbeförderung verhältnismäßig kühlen Kokses aus einer Wirbelschicht-Verkokungskammer
mitten in die Wirbelschicht in der Kammer 1. Eine gegebenenfalls gelochte Prallplatte3
verteilt die eintretenden Feststoffe innerhalb der Schicht. 4 ist ein Teil einer
Ableitung für den aufgeheizten Koks aus der Kammer t. Wie aus der Zeichnung hervorgeht,
ragt das Rohr 4 oben durch die Wirbelschicht und endet etwa in Höhe der Grenzfläche
L, bis zu der die Feststoffteilchen in der Kammer reichen. Das Rohr 4 hat oben einen
mit Kerben oder Schlitzen versehenen Einlaßteil 4a, damit die Feststoffe auch bei
geringen Schwankungen in der Wirbelschichthohe gleichmäßiger in das Rohr hineinlaufen.
In die Verbrennungskammer 1 ist ferner noch eine Vorrichtung eingebaut, die zur
Einführung der für die Einleitung der in der Kammer stattfindenden Reaktion erforderlichen
heißen Gase, z. B. von Verbrennungsprodukten, sowie zur Einführung der zur Aufrechterhaltung
der Verbrennung innerhalb der Kammer nötigen Luft dient.
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Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist diese Vorrichtung eine Hilfsbrenneranlage
von etwa der üblichen Form; sie wird in Fig. IV noch ausführlicher dargestellt.
Durch die Leitung 6 wird die erforderliche Verbrennungsluft in den Hilfsbrenner
eingeleitet; diese Luft kann zur besseren Regelung mit Dampf verdünnt werden, jedoch
ist dies nicht unbedingt notwendig. Da die Hilfsbrenneranlage vorzugsweise als zugehöriger
Teil der Verbrennungskammer in diese eingebaut ist bedarf es kaum besonderer Befestigungs-oder
Stützelemente. Auch sind bei der hier beschriebenen Gesamtanlage keine ausgedehnten
Leitungsverbindungen, z. B. D ehnungsrohrverbindungen, er for derlich. Das Rohr
7 dient als Sicherheitsvorrichtung für die Einführung eines inerten Gases im Falle
eines Versagens der Luftzufuhr.
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Im Oberteil der Kammer befindet sich ein Zyklonsystem 8, das zur
Entfernung der von den Verb rennungsgasen mitgerissenen Feststoffe und ihrer Rückführung
in die Wirbelschicht dient. Nach Abscheidung der Feststoffe aus den Verbrennungsgasen
werden
letztere aus der Verbrennungskammer durch die Leitung 9 entfernt und können
entweder ins Freie entweichen oder vor ihrem Abzug noch durch eine Abhitzeverwertungsanlage
geleitet werden. In dem hier erläuterten besonderen Beispiel arbeitet die Verbrennungskammer
mit Geschwindigkeiten des aufwirbelnden Gases von etwa 0,75 bis 0,9 m/sec, und es
sind zwei Stufen für die Zyklonentstaubung vorgesehen. Wegen der - im Vergleich
zu anderen Feststoffwirbelschichtverfahren, z. B. der katalytischen Crackung - verhältnismäßig
groben Teilchengröße ist die Mitnahmegeschwindigkeit hier nur etwa ein Fünftel bis
ein Achtel so groß wie bei einer katalytischen Crackung. und man kann für das hier
gezeigte zweistufige Zyklonsystem eine ebenso große oder höhere Leistung erwarten
als dort.
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Innerhalb der Wirbelschicht im Unterteil der Kammer ist etwa konzentrisch
über dem Düsenende 11 des in die Schicht hineinragenden Hilfsbrenners ein Abweiser
oder eine Verteilerkappe 10 angebracht. Diese Kappe kann zweckmäßig mit einer feuerfesten
Auskleidung lOa versehen sein. Von dem oberen Ende der Düse hat die Kappe nur wenig
Abstand, so daß zwischen dem unteren Rand der Kappe und dem oberen Rand der Düse
eine Absperrzone entsteht, die in der Zeichnung (s. Fig. IV) durch die gestrichelten
Linieny und z begrenzt wird. Diese Zone soll verhüten, daß Druckanstiege im System
den Koks aus der Wirbeischicht in den Hilfsbrenner pressen. Soweit es die bauliche
Form der eingebauten Teile zuläßt, soll diese Zone vorzugsweise so hoch wie nur
möglich sein.
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Der untere Rand der Kappe reicht etwa bis dicht an die Innenfläche
des konischen Unterteils der Kammer 1 heran, so daß an dieser Stelle ein Abzug der
Gase möglich ist und eine Stauung der Koksteilchen vermieden wird. Die Geschwindigkeit
der durch diesen von Kappe und Düse gebildeten Ring strömenden Gase beträgt bei
normalem Betrieb vorzugsweise 7,5 bis 18 m/sec, jedoch braucht die Mindestgeschwindigkeit
nur 6 m/sec zu betragen.
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Die Kappe wird vorzugsweise von Stützelementen 12 gehalten. Wie aus
Fig. IV hervorgeht, wird sie von dem konischen Unterteil der Kammer durch starre,
beiderseits zwischen zwei im Abstand voneinander befindlichen Klauen 13 angelenkten
Stützen gehalten, wobei die im Abstand voneinander befindlichen Klauen 13 einerseits
am unteren Rand der Kappe, andererseits an der Oberfläche des konischen Kammerbodens
befestigt sind.
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Wie aus Fig. I und II hervorgeht, ragen mehrere, vorzugsweise in
gleichem Abstand voneinander angeordnete Verteilerarme 14 mitten in den von Kappe
und Düse gebildeten ringförmigen Raum hinein. Ein konzentrischer Prall- oder Luftraum
15 leitet Luft oder Gase in diese Verteilerarme. Bei dieser besondere ren Anordnung
werden etwa SO0/o der in dem ringförmigen Raum befindlichen Gase durch den Luftraum
in die vier Arme geleitet; gegebenenfalls kann dieses Verhältnis jedoch auch anders
sein. Am unteren Ende des Luftraumes befinden sich kleine zu : CYffnungen 16, so
daß alle etwa in die Verteilerarme hineingeratenen Feststoffe in den Unterteil der
Kammer fallen. An dem oberen Ende der Verteilerarme sind mit Löchern oder Schlitzen
versehene Rohre 16 be festigt, die alle etwa in derselben waagerechten Ebene liegen
und sich in beiden Richtungen von den Verteilerarmen aus in einem bestimmten Abstand
von den Kammerwänden ein beträchtliches Stück entlang erstrecken. Vorzugsweise besitzen
diese Rohre an der Unterseite Schlitze, wie in Fig. II bei 17 gezeigt wird.
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Bei dieser Bauart mit den Luftverteilerarmen setzt man zur besseren
Verteilung der Gase und zur Beibehaltung der Geschwindigkeit der unten aus dem ringförmigen
Raum ausströmenden Gase im Unterteil dieses ringförmigen Raumes noch einen Einsatz-
oder Begrenzungsring ein.
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Beim Betrieb der beschriebenen Anlage als Heizvorrichtung für ein
Wirbelschicht-Verkokungssystem für Kohlenwasserstofföle bildet die Kammer 1 normalerweise
einen Teil des Kokskreislaufsystems, der kontinuierlich von Ölen befreiten kühlen
Koks von der Verkokungskammer erhält und an diesen wieder erhitzten Koks abgibt.
Die Wirbelschicht innerhalb der Verbrennungskammer wird genügend hoch gehalten,
um einen Durchbruch von Sauerstoff zu verhüten, der zu Verlusten führen könnte und
möglicherweise eine Nachverbrennung mit entsprechender Bescllädigung des Zyklonsystems
zur Folge hätte. Es wurde gefunden, daß die Schicht zur Vermeidung eines Sauerstoffdurchbruchs
mindestens etwa 3 m hoch sein sollte. Versuche haben ergeben, daß die Sauerstoffkonzentration
der aus der Schicht ausströmenden Rauchgase bei nur 5900 und bei Schichthöhen von
etwa 3 m weniger als 0,30/0 beträgt. Durch weitere Steigerung der Schichthöhe scheint
man aber keine weitere Abnahme der Sauerstoffkonzentration mehr zu erreichen.
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Bei Inbetriebnahme des Systems wird der Brenner stoffbrenner angezündet
und ein Strom sauerstoffhaltigen Gases, z. B. Luft, durch die Leitung 6 eingeüihrt.
Die durch Vermischung mit den entstehenden Rauchgasen aus der Verbrennungskammer
im Hilfsbrenner erwärmte Luft zieht durch die Kammer 1 und erwärmt sie. Der Brenner
wird so lange weiterbetrieben, bis die Temperatur der Wirbelschicht in der Kammer
hoch genug ist, um den durch die Leitung 2 zugeführten körnigen Koks zu entzünden
und seine Ved)rennung aufrechtzuerhalten. Normalerweise wird die Kammer bei etwa
565 bis 6100 betrieben, jedoch kann die Temperatur auch auf 870 bis 9800 steigen,
der der Kammer durch die Leitung 2 zufiießende Koks ist normalerweise etwa 5100
warm. Sobald die Vertrennung des Kokses einmal begonnen hat, schreitet sie selbsttätig
so lange fort, wie man der Kammer die zur Aufrechterhaltung der Verbrennung erforderlichen
Mengen sauerstoffhaltigen Gases zuführt. Gewöhnlich braucht man dafür etwa 0,056
cbm Luft je kg des der Kammer zugeführten Kokses. Sobald die Verbrennungsreaktion
im Gange ist, kann man den Brennstoff-Brenner 15 abschalten und nur noch das sauerstoffhaltige
Gas durch die Leitung 6 zuführen. Manchmal jedoch, wenn der bei der Verkokung erzeugte
Koks größeren Wert als die verfügbaren Heizgase oder flüssigen Brennstoffe besitzt,
kann man den Brenner zur dauernden Lieferung der Wärme für die Koksteilchen verwenden.
indem man diese Brennstoffe im Hilfsbrenner und nicht den Koks in der Verbrennungskammer
verbrennt.
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In Fig. IV ist der mit feuerfesten Baustoffen ta ausgekleidete Unterteil
der Verbrennungskessel 1 gezeigt. Über dem Hilfsbrenner 5, der - wie oben beschrieben
- aufwärts in die Kammer hineinragt, befindet sich in geringem Abstand eine Kappe
10. An Stelle der oben beschriebenen Verteilerarme ist hier eine mit Löchern oder
Schlitzen versehene waagerechte Prallplatte 19 vorgesehen, die an der Kappe befestigt
ist. Diese Prallplatte besitzt einen abwärts gebogenen Bördelrand 20, der sich in
einem bestimmten Abstand von den Kammerwänden befindet und zur Verteilung der Gase
um die Prallplatte her-
um dient. Der Unterteil der Kappe ist, wie aus der Zeichnung
hervorgeht, mit Kerben oder Rillen versehen, um eine gleichmäßigere Verteilung der
aus dem ringförmigen Raum ausströmenden Gase zu gewährleisten. Nach dem Ausströmen
aus dem ringförmigen Raum steigen die Gase nach oben, bis sie von der waagerechten
Prallplatte nach außen abgelenkt und dadurch gleichmäßig im Unterteil der Wirbelschicht
verteilt werden. Ein Teil der Gase strömt aufwärts durch die Öffnungen der Prallplatte,
ein anderer Teil rund um den Rand der Prallplatte herum.
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An Hand von Fig. IV wird der obenerwähnte Hilfsbrenner ausführlicher
beschrieben. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, besteht er aus einem zylindrischen
Gehäuses, dessen oberer Teil zweckmäßig mit einer feuerfesten Auskleidung 5a versehen
ist. Außer dem feuerfesten Futter 5a ist innerhalb des Brenners eine seitliche Trennwand
24 angeordnet, die sich in mittlerer Höhe innerhalb des Gehäuses und in einem bestimmten
Abstand von dessen Boden befindet. Über der Trennwand 24 ist eine mit feuerfestem
Futter ausgekleidete Verbrennungskammer 25 angebracht, die gegenüber dem unteren
Ende des Gehäuses 5 offen ist und gegenüber dem Gehäuse 5 etwa konzentrisch und
in einem radialen Abstand zu ihm liegt, so daß zwischen den entsprechenden Gehäusewänden
25 und 5 ein ringförmiger Raum oder Kanal vorhanden ist.
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Eine Heizmittelzuleitung 2.1 ragt durch den Boden in die Verbrennungskammer
hinein und dient zur Versorgung des Brenners mit Gasen oder flüssigem Brennstoff.
Durch eine Rohrleitung 22 wird Primärluft für die Verbrennung des Brennstoffs in
den Brenner eingeführt, während Sekundärluft und die Luft für die Verbrennung der
kohlenstofthaltigen Teilchen in der Wirbelschicht durch die Rohrleitungen 6 eintritt.
Feuerfeste Ablenkungs- oder Prallplatten sind etwa in Höhe des oberen Endes der
Verbrennungskammer vorgesehen und erstrecken sich von da nach oben.
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Eine typische Kammer dieser Art nach Fig. IV kann z. B. folgende
Maße aufweisen: A .................... 3,57 m B .................... 1,22 in C ....................
1,22m D ................... 0, 61 m E .................... 0,15m F ....................
2,58m G .................... 1,52m H .................... 2,74m I ....................
300 Bei einer Kammer mit den obigen Maßen, die körnigen Koks von etwa 40 bis 500
µ Korngröße mit einer wahren Teilchendidfte von etwa 1,44 enthält, befindet sich
die obere Grenzfläche der Wirbelschicht etwa 4,56 m oberhalb des gerillten Randes
der Kappe. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit des aufwirbelnden Gases von 0,85 m/sec
besitzt die Schicht eine Wirbeldichte von 0,67. Stündlich fließen der Verhrennungskainmer
770 kg 5100 warmen Kokses zu, von denen etwa 23 0/o zur Wärmeerzeugung verbraucht
werden und der Rest 6050 warm in die Verkokungskammer zurückgeführt wird. Zur Erzielung
einer derartigen Kreislaufgeschwindigkeit des Kokses fiihrt man die Luft 1500 warm
mit einer Geschwindigkeit von 250 m3/min durch den Hilfsbrenner der Verbrennungskammer
zu. In dem ringförmigen Kanal besitzt die Luft dann eine Geschwindigkeit von 10,7
m/sec.
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Die Kappe kann z. B. auch andere Formen als die Halbkugelform haben,
und ihre Abstände zu dem
Düsenteil des Hilfsbrenners und den Kammerwänden
können sehr verschieden sein.