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I. Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtreaktor, insbesondere dort die randseitigen Düsenstangen.
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II. Technischer Hintergrund
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Bei einer Wirbelschicht wird eine Schüttung aus Feststoff so von unten mit einem Fluidisierungsmedium angeblasen, dass die Adhäsionskräfte zwischen den Teilchen der Schüttung überwunden werden und die Teilchen im Strom des Fluidisierungsmediums schweben. Man nennt diesen Zustand fluidisiert. Sofern Teilchen mit dem Fluidisierungsstrom mitgerissen und ausgetragen werden, spricht man von einer zirkulierenden Wirbelschicht, ansonsten von einer stationären Wirbelschicht. Beim Betrieb einer Wirbelschicht ist es anzustreben, dass alle Bereiche der Feststoffschüttung gleichmäßig angeblasen werden, um Schieflagen zu vermeiden.
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Hierzu werden am Boden der Wirbelschicht Düsen in engem Abstand angeordnet, durch die das Fluidisierungsmedium in die Feststoffschüttung geblasen wird.
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Finden nun in der Wirbelschicht Verbrennungs- oder Vergasungsreaktionen von Feststoffen statt, so verbleibt stets auch Asche als Reaktionsprodukt, die in der Wirbelschicht kleingerieben und mit den aus der Wirbelschicht nach oben austretenden Gasen ausgetragen wird.
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Da die in die Wirbelschicht eingetragenen Feststoffe auch Störstoffe enthalten können, die nicht kleingerieben und ausgetragen werden können, ist es üblich, in der Wirbelschicht auch einen Abzug für Störstoffe am unteren Ende vorzusehen.
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Unter anderem beim Abstellen einer Wirbelschicht kann in die Austrittsstutzen der Düsen der Wirbelschicht Bettmaterial, in der Regel Sand, zurückrieseln, so dass es sinnvoll ist, einen Sandabzug aus den Düsen vorzusehen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Austrittsstutzen zur Einblasung des Fluidisierungsmediums nur einen kleinen Teil der Grundfläche des Bodens belegen, da sich dann unter dem fluidisierten Teil der Feststoffschüttung ein großer, freier Abzugsquerschnitt befindet, der in einen nicht fluidisierten, festen Teil der Feststoffschüttung mündet, der langsam nach unten abgezogen werden kann und über den dann auch die Störstoffe mit abgezogen werden können.
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Um nun mit dieser Konstruktion eine gleichmäßige Fluidisierung des Wirbelbettes zu erreichen, ist es erforderlich, dass die Düsenstangen eine konstante Teilung aufweisen. Der Zwischenraum zwischen zwei Düsenstangen wird somit zur Hälfte von der linken, zur Hälfte von der rechten Düsenstange fluidisert.
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Ein besonderes Problem stellt in der Folge der Randbereich des Bettquerschnitts dar. An dieser Stelle ergibt sich das Problem, dass bei Anordnung der Wand in der Mitte des üblichen freien Zwischenraumes dieser in der Breite halbiert wird, was die Anfälligkeit erhöht, dass Störstoffe nicht abgezogen werden können.
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Sofern ein gleich großer freier Abzugsquerschnitt bereitgestellt werden soll, ist es erforderlich, nur den linken oder rechten Teil einer Düsenstange direkt am äußeren Rand der Wirbelschicht einzubauen. Diese halbe Düsenstange wird als Randstange bezeichnet.
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Die Wand besitzt jedoch in aller Regel eine andere Temperatur als das Fluidisierungsmedium und ist zudem in aller Regel mit einer vor Erosion schützenden Masse ausgekleidet, so dass der Einbau der Randstange stets mit Fugen in der vor Erosion schützenden Ausbildung einhergeht.
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Diese Fugen führen bei Temperaturänderungen oder An- und Abschalten der Fluidisierung schnell zu Auswaschungen der Fugen und dann zu Dehnungen, so dass diese konstruktiven Lösungen einer dauernden Wartung und Instandhaltung bedürfen.
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III. Darstellung der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, einen Wirbelschicht-Reaktor zur Verfügung zu stellen, der die vorgenannten Probleme vermeidet.
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b) Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass im Bereich der randseitigen Düsenstange, also der Randstange, sich die Auskleidung nicht zwischen der Reaktorwand und der Randstange befindet, sondern die Randstange außerhalb der Auskleidung verläuft, sodass sich die von der Randstange in die Wirbelschicht gerichteten Austrittsstutzen, die insbesondere als Düsen ausgebildet sind, durch die Auskleidung hindurch erstrecken.
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Dadurch kann es zu keinen Auswaschungen zwischen der Auskleidung und der Düsenstange kommen.
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Indem die Düsenstange so in die Reaktor-Wand integriert ist, dass der entsprechende Abschnitt der Reaktor-Wand gleichzeitig einen Teil der Wandung der Düsenstange bildet, werden ungleiche Dehnungen verhindert. Im Übrigen befindet sich die Düsenstange dabei ohnehin außerhalb der Auskleidung und somit der Wirbelschicht und damit in einem Bereich verringerter Temperatur gegenüber dem Inneren der Wirbelschicht.
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Die Austrittsstutzen erstrecken sich vorzugsweise nach schräg unten durch die Auskleidung hindurch und stehen vorzugsweise aus dieser etwas vor.
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Auch wenn die Düsenstange außerhalb der Reaktorwand liegt, wird vorzugsweise die Innenkontur der Auskleidung so geformt, dass sie der Kontur einer sonst an dieser Stelle sitzenden Randstange, also in der Regel einer halben normalen Düsenstange, entspricht, damit die Freiräume zwischen den Düsenstangen des Düsenbodens an allen Stellen gleich sind.
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Das Innere der Düsenstange besitzt neben der Zuströmöffnung für das Fluidisierungsmedium vorzugsweise auch eine Abzugsöffnung für in die Düsenstange hinein geratenes Bettmaterial.
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c) Ausführungsbeispiele
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Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
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Bild 1: eine erste Bauform der Randstange,
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Bild 2: eine zweite Bauform der Randstange,
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Bild 3: eine dritte Bauform der Randstange und
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Bild 4: eine Schnittdarstelllung durch die Wirbelschicht eines Wirbelschichtreaktors.
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Bild 4 zeigt einen Querschnitt durch den Bereich eines Wirbelschichtreaktors 10, in dem sich die Wirbelschicht 15 befindet.
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In der Wirbelschicht sind nebeneinander horizontal und parallel zu einander, in einem bestimmten Abstand verlaufend, Düsenstangen 6 angeordnet, die in diesem Fall einen fünfeckigen Querschnitt besitzen, der symmetrisch zu der in ihrer Längsrichtung verlaufenden Vertikalebene ist.
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Neben der Ebenenoberseite des Querschnitts besitzt jede Seite eine schräg nach unten außen laufende obere Schrägfläche und eine schräg nach unten innen laufende innere Schrägfläche, wobei aus der unteren Schrägfläche Austrittsöffnungen aus dem hohlen Inneren der Düsenstange 6 nach außen führen, vorzugsweise ausgeführt als Austrittsstutzen 4 in Form eines Rohrstückes, die dem austretenden Fluidisierungsmedium, in der Regel Luft, eine bestimmte Ausströmungsrichtung aufzwingen, die für die korrekte Funktion der Wirbelschicht 15 jedoch unabdingbar ist.
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Wie in Bild 4 zu erkennen, strömt das Fluidisierungsmedium schräg nach unten aus den Austrittsstutzen 4 aus, und dreht dann etwa in der Mitte zwischen je zwei benachbarten Düsenstangen 6 nach oben in Richtung Obergrenze der Wirbelschicht 15.
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Ab dem Bereich unterhalb der Düsenstangen 6, der nicht mehr von dem Fluidisierungsmedium erreicht wird, bildet sich eine feste Schicht aus Bettmaterial aus, die nicht mehr fluidisiert wird, und die – was in Bild 4 nicht mehr dargestellt ist – aus der nach unten kontinuierlich Bettmaterial abgezogen wird, um die darin enthaltenen Störstoffe herauszufiltern oder anderweitig zu eliminieren.
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Aus Bild 4 wird klar, dass für die korrekte Funktion der Wirbelschicht 15 in einem Wirbelschichtreaktor 10 somit u. a. die richtige Anordnung der Düsenstangen 6 hinsichtlich ihres Abstandes zueinander, der Anordnung auf gleicher Höhe, der Neigung ihrer Austrittsstutzen sowie weiterer Parameter von Bedeutung ist.
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In diesem Zusammenhang spielt auch die Fluidisierung am Rand der Wirbelschicht eine Rolle:
Um auch dort diese definierten Verhältnisse aufrecht zu erhalten, ist an der Reaktorwand 3 des Wirbelschichtreaktors 10 jeweils eine halbe Düsenstange 1, also halbiert entlang der vertikalen Längsebene einer ganzen Düsenstange 6, angeordnet, und dabei der gleiche Abstand 8 zur nächsten Düsenstange 6 eingehalten, wie zwischen den übrigen Düsenstangen 6.
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Dabei spielt es keine Rolle, ob an der Reaktorwand 3 tatsächlich eine halbierte Düsenstange 1 verbaut ist oder lediglich die Innenseite der Reaktorwand 3, die von einer Auskleidung 2 bedeckt ist, eine Kontur besitzt, die einer solchen halben Düsenstange entspricht.
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Wichtig ist lediglich, dass die Kontur der Innenfläche der Reaktorwand 3 die gleiche Kontur ist wie die einer halbierten sonstigen normalen Düsenstange 6, damit die Strömungsverhältnisse dazwischen die gleichen sind wie zwischen den ganzen Düsenstangen 6.
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Dazu zählt auch, dass die Austrittsstutzen 4, die aus dieser randseitigen halben Düsenstangenkontur austreten, die gleiche Neigung besitzen und auf der gleichen Höhe montiert sind wie bei den ganzen Düsenstangen 6.
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Lediglich der Vollständigkeit halber soll erwähnt werden, dass die Austrittsöffnungen, insbesondere die Austrittsstutzen 4, entlang der Düsenstangen 6 und auch der halben Düsenstangen 1 in Blickrichtung von Bild 4 natürlich mehrfach hintereinander, insbesondere in einem regelmäßigen engen Abstand hintereinander vielfach angeordnet sind.
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Die Bilder 1 bis 3 zeigen unterschiedliche Ausbildungen der randseitigen halben Düsenstange 1 in unterschiedlichen Varianten:
In Bild 1 ragt der Querschnitt der halben, randseitigen Düsenstange 1 von der Reaktorwand 3 nach innen in Richtung Wirbelschicht 15, sodass die Reaktorwand 3 gleichzeitig die Rückwand 14 des Innenraumes der halben Düsenstange 1 darstellt, und lediglich durchbrochen wird von dem Abzug 11 für eingerieseltes Bettmaterial, der von diesem Inneren der Düsenstange 1 aus durch die Reaktorwand 3 nach außen führt.
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Die der Wirbelschicht 15 zugewandte Kontur der halben Düsenstange 1 ist von der Auskleidung 2 genauso bedeckt wie der Rest der Reaktorwand 3, und vorzugsweise auch mit der gleichen Wandstärke.
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Dementsprechend durchdringen die Austrittsstutzen 4, die mit dem Inneren der halben Düsenstange 1 und der dort zugeführten Fluidisierungsluft in Verbindung stehen, diese Auskleidung 2 und münden mit dem vorderen Ende in der Wirbelschicht 15.
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Die Lösung gemäß Bild 3 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Bild 1 dadurch, dass die Rückwand 14 des Inneren der randseitigen halben Düsenstange 1 nicht mit der Reaktorwand 3 fluchtet, sondern gegenüber dieser versetzt ist, vorzugsweise bezüglich der innen liegenden Wirbeischicht 15 nach außen versetzt ist, um ein größeres Querschnittsvolumen im Inneren der halben Düsenstange 1 zu schaffen.
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Die Lösung gemäß Bild 2 sieht dagegen so aus, dass die halbe Düsenstange 1 vollständig außerhalb der Reaktorwand 3 liegt, und die Reaktorwand 3 die Vorderwand der hohlen Düsenstange 1 darstellt. Auch hier ist aus dem Inneren der halben Düsenstange 1 wiederum ein Bettabzug 11 nach unten vorhanden, der aber in diesem Fall ohnehin von Anfang an außerhalb der Reaktorwand 3 liegt.
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Die Auskleidung 2 auf der Innenseite der Reaktorwand 3 ist auf der Höhe der randseitigen halben Düsenstange 1 so verdickt und geformt, dass sie eine der Wirbelschicht 15 zugewandte Kontur aufweist, die – wie auch bei den Lösungen der Bilder 1 und 3 – der Kontur des halben Querschnitts einer normalen mittleren Düsenstange 6 entspricht.
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Da aus der unteren Schrägfläche dieser Kontur der Austrittsstutzen 4 in gleicher Weise vorstehen soll wie bei einer normalen Düsenstange 6, muss der Austrittsstutzen 4 eine ausreichende Länge besitzen, um die Auskleidung 2 vollständig zu durchdringen und mit seinem hinteren Ende im Inneren der halben Düsenstange 1 zu münden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- halbe Düsenstange
- 2
- Auskleidung
- 3
- Reaktorwand
- 4
- Austrittsstutzen
- 5
- Innenraum
- 6
- ganze Düsenstange
- 7
- Abzugsöffnung
- 8
- Abstand
- 9
- Ausströmrichtung
- 10
- Wirbelschichtreaktor
- 11
- Abzug
- 12
- Kontur
- 13
- Vorderwand
- 14
- Rückwand
- 15
- Wirbelschicht