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I. Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtreaktor, insbesondere dessen Fluidisierung.
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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 unteren Ende der Wirbelschicht Düsen in engem Abstand angeordnet, durch die das Fluidisierungsmedium in die Feststoffschüttung geblasen wird. Diese Ebene wird auch Fluidisierungsebene genannt.
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Unterhalb der Fluidisierungsebene befindet sich die Feststoffschüttung in einem nicht fluidisierten Zustand. Es ist sehr wichtig, dass alle Düsen auf der gleichen Höhe angeordnet sind, da ansonsten Schieflagen nicht zu vermeiden sind. Einbauten in die Wirbelschicht, die oberhalb der Fluidisierungsebene angeordnet sind, sind in aller Regel erosiv belastet.
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Eine erosive Belastung lässt sich nur bei rein vertikalem Einbau der Einbauten in die Wirbelschicht minimieren, was aber zumeist konstruktiv nicht möglich ist.
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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 klein gerieben und mit den aus der Wirbelschicht nach oben austretenden Gasen ausgetragen werden.
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Da die in die Wirbelschicht eingetragenen Feststoffe auch Störstoffe enthalten können, die nicht klein gerieben und ausgetragen werden, ist es üblich, in der Wirbelschicht auch einen Abzug für Störstoffe am unteren Ende vorzusehen. Dieser Abzug kann flächig unter der Fluidisierungsebene vorgesehen werden. In diesem Falle spricht man von einem offenen Düsenboden. Befindet sich unter der Fluidisierungsebene im Wesentlichen ein geschlossener Boden mit kleinen Abzugsöffnungen, spricht man von einem geschlossenen Düsenboden.
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Unter anderem beim Abstellen einer Wirbelschicht kann in die Düsen der Versorgungsleitungen für Fluidisierungsmedium Bettmaterial zurückrieseln, so dass es sinnvoll ist, einen Abzug von Bettmaterial aus den Düsen vorzusehen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Düsen 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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Die Düsen müssen an Versorgungsleitungen für das Fluidisierungsmedium angeschlossen werden, die ihrerseits wiederum einen Teil des freien Abzugsquerschnitts verlegen.
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Die Düsen zur Einblasung des Fluidisierungsmediums müssen in diesem Falle unterhalb der Versorgungsleitungen münden und sind zumeist dann in die Versorgungsleitung integriert. Eine derartige Versorgungsleitung, in der die Düsen direkt nach unten ausströmend integriert sind, wird auch Düsenstange genannt.
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Um nun 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 fluidisiert.
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Ein besonderes Problem ergibt sich, wenn eine Wirbelschicht von mehreren Medien fluidisiert wird, die sich vor dem Eintritt in die Wirbelschicht nicht mischen dürfen, danach jedoch zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Verteilung ohne Schieflagen vermischt sein müssen.
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Der Einbau mehrerer Ebenen von Versorgungsleitungen verbietet sich zumeist wegen der erosiven Belastung. Ebenso führt eine Anordnung von Düsen am Rand des Wirbelbettes im fluidisierten Bereich, oberhalb der Fluidisierungsebene, ebenfalls nicht zum gewünschten Erfolg, da sich hiermit keine gleichmäßige Mischung über den Bettquerschnitt erreichen lässt.
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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 Wirbelschichtreaktor zu Verfügung zu stellen, bei dem die Austrittsöffnungen für Fluidisierungsmedium aus mehreren verschiedenen Versorgungsleitungen gespeist werden und dennoch eine Gestaltung gewählt wird, die die erosive Belastung der Versorgungsleitungen minimiert und dennoch einen guten Betrieb der Wirbelschicht und insbesondere einen guten Abzug des Bettmaterials ermöglicht.
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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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Indem das Versorgungsrohr für Fluidisierungsmedium in seinem Querschnitt in unterschiedliche Kammern unterteilt ist, die als getrennte Versorgungsleitungen für die Zuführung der unterschiedlichen Fluidisierungsmedien verwendet werden, wird die Außenfläche der Versorgungsleitungen, die einer erosiven Belastung standhalten muss, bereits deutlich reduziert und auch die in der Aufsicht betrachtete der Wirbelschicht, der durch die Versorgungsleitungen abgedeckt wird und nicht als Abzug zur Verfügung steht, minimiert. Indem hier Austrittsöffnungen in den Wandungen des Versorgungsrohres angeordnet sind, wird ebenfalls eine besonders Platz sparende und im Aufbau einfache Ausbildung gewählt. Dabei können die Austrittsöffnungen als Düsen ausgebildet sein, also einen sich wenigstens teilweise verjüngenden Querschnitt besitzen, aber auch die Form von Rohrstutzen mit gleich bleibendem Innenquerschnitt aufweisen.
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Die Austrittsöffnungen oder auch -düsen können entweder auf gleicher Höhe und nebeneinander angeordnet sein oder in mehreren Ebenen übereinander, dann insbesondere die Austrittsöffnungen jeweils genau lotrecht übereinander, oder es kann auch eine Mischform der beiden Anordnungen gewählt werden.
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Normalerweise steht jede Austrittsöffnung mit einer der Kammern der Versorgungsleitungen in Verbindung, so dass aus jeder Austrittsöffnung nur eine Art von Fluidisierungsmedium austritt. In speziellen Fällen, wo die Mischung der verschiedenen Fluidisierungsmedien bereits im Versorgungsrohr und vor dem Austritt in die Wirbelschicht erfolgen soll, können einzelne Austrittsöffnungen auch mit mehreren der Kammern in Verbindung stehen und aus diesen gleichzeitig gespeist werden.
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Um den Abzug von Bettmaterial zu erleichtern, welches beim Abschalten der Wirbelschicht über die Austrittsöffnungen in die Kammern des Versorgungsrohres gelangt, können die Kammern eine Abzugsöffnung für Bettmaterialien in ihrem unteren Bereich aufweisen und zu diesem Zweck insbesondere die Unterseite der entsprechenden Kammer einen konischen nach unten sich zur Abzugsöffnung hin verjüngenden Querschnitt aufweisen, an dem dann das Bettmaterial selbsttätig zusammenläuft.
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Um das Eindringen von Bettmaterial zu minimieren und auch die erosive Belastung für das Versorgungsrohr zu minimieren, ist die Austrittsrichtung für das Fluidisierungsmedium an den Austrittsöffnungen von den einzelnen Kammern aus schräg nach außen unten gerichtet.
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Die Kammern des Versorgungsrohres können innerhalb des Versorgungsrohres nur übereinander, nur nebeneinander oder auch sowohl nebeneinander als auch übereinander angeordnet sein, abhängig sowohl von der Anzahl der benötigten Fluidisierungsmedien als auch den hierfür benötigten Querschnitten.
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Ebenso kann der Wirbelschichtreaktor gemäß der Erfindung einen offenen oder geschlossenen Düsenboden aufweisen, also indem letzteres ein flächiger Bettmaterial-Abzug unterhalb der Fluidisierungsebene aufweist, der sich über mehrere Versorgungsrohre hinweg erstreckt.
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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 eines Versorgungsrohres,
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Bild 2: eine zweite Bauform eines Versorgungsrohres,
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Bild 3: eine dritte Bauform eines Versorgungsrohres,
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Bild 4: eine vierte Bauform eines Versorgungsrohres,
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Bild 5: mehrere Versorgungsrohre gemäß Bild 1 nebeneinander und
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Bild 6: einen Schnitt durch den Bettbereich eines Wirbelschichtreaktors.
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Die Bilder 1 bis 4 zeigen jeweils eine spezifische Bauform eines Versorgungsrohres 8 jeweils im rechten Teil im Querschnitt und im linken Teil in der Seitenansicht.
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In Bild 1 besitzt das Versorgungsrohr 8 einen rechteckigen Querschnitt, was für die vorliegende Erfindung jedoch weniger von Bedeutung ist, und innerhalb dieses Querschnitts eine Unterteilung in zwei übereinander Hegende Kammern 1, 2, die jeweils von der rechten bis zur linken Wand reichen. Aus jeder der Kammern 1, 2 ragen jeweils links und rechts Auslassöffnungen 4 in Form von in diesem Fall Rohrstutzen aus der oberen Kammer 1 und Auslassöffnungen 5 in Form von Rohrstutzen aus der unteren Kammer 2 schräg nach unten außen heraus, aus denen dann das Fluidisierungsmedium 11 strömt, welches über die jeweilige Kammer 1, 2 zugeführt wird.
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Wie die Seitenansicht zeigt, sind die Auslassöffnungen 4 einerseits und 5 andererseits in gleichmäßigem Abstand jeweils nebeneinander angeordnet, und die oberen Auslassöffnungen 4 befinden sich dabei genau oberhalb der unteren Auslassöffnungen 5.
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Auch die Neigung der Rohrstutzen der Auslassöffnungen 4, 5 ist für beide Kammern 1, 2 die gleiche.
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Die Lösung gemäß Bild 4 unterscheidet sich von derjenigen nach Bild 1 dadurch, dass hier das Versorgungsrohr 8 drei übereinander liegende Kammern 1, 2, 3 aufweist, aus denen jeweils Austrittsöffnungen 4, 5, 6 in Form von Rohrstutzen beidseits schräg nach unten ragen analog der Lösung gemäß Bild 1.
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Das Versorgungsrohr 8 gemäß Bild 3 unterscheidet sich von demjenigen von Bild 1 dadurch, dass aus dem Versorgungsrohr 8 auf der linken und rechten Seite – betrachtet im Querschnitt des Versorgungsrohres 8 – nur in jeweils einer Reihe hintereinander liegende Rohrstutzen 4, 5 aus dem Versorgungsrohr 8 vorstehen, die auch alle auf der gleichen Höhe liegen und/oder am unteren Ende enden, jedoch eine unterschiedliche Länge aufweisen und dadurch – in Verlaufsrichtung des Versorgungsrohres 8 abwechselnd – einmal mit der oberen Kammer 1 und einmal mit der unteren Kammer 2 in Verbindung stehen und von diesen jeweils gespeist werden.
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Bild 2 zeigt dagegen ein Versorgungsrohr 8, dessen Querschnitt in zwei nebeneinander liegende Kammern 1, 2 unterteilt ist. Jede der beiden Kammern 1, 2 besitzt einen sich konisch nach unten verjüngenden Boden, der – an seinem tiefsten Punkt – eine Abzugsöffnung 7 für in die Kammer gelangtes Bettmaterial aufweist.
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Austrittsöffnungen bzw. Rohrstutzen 4, 5 mit Austrittsöffnungen sind dabei auf beiden Seiten des Rohrquerschnittes und in zwei Ebenen übereinander angeordnet, wobei wiederum die beiden jeweils übereinander angeordneten Rohrstutzen 4, 5 aufgrund ihrer unterschiedlichen Länge mit ihrem hinteren Ende mit je einer der beiden Kammern 1, 2 in Verbindung stehen und von diesen gespeist werden, so dass auf jeder Seite des Versorgungsrohres 8 beide Fluidisierungsmedien 11, 12 ausströmen können.
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Die Bilder 5 und 6 zeigen die Anordnung der Versorgungsrohre 8, in diesem Fall in der Bauform aus Bild 1, in einem Wirbelschichtreaktor 10:
In 6 ist der gesamte untere Bereich des Wirbelschichtreaktors 10, also im Bereich der Wirbelschicht 15, dargestellt mit den in der Wirbelschicht 15, also im Bettmaterial, nebeneinander angeordneten Versorgungsrohren 8.
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Wie besser in der vergrößerten Darstellung der 5 zu erkennen, strömt das jeweilige Fluidisierungsmedium 11, 12 schräg nach unten außen aus den jeweiligen Austrittsöffnungen 4, 5 aus.
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Diese Austrittsrichtung 13 bleibt jedoch nicht erhalten, sondern durch das Aufeinandertreffen zweier gegeneinander gerichteter Austrittsrichtungen 13 und zusätzlich das nach oben immer lockerer liegende Bettmaterial in der Wirbelschicht 15 dreht die Strömungsrichtung nach oben, so dass sich in einem gewissen Abstand unterhalb der Versorgungsrohre 8 ein fester, nicht fluidisierter Teil des Bettes bildet, während der darüber liegende Teil die eigentliche Wirbelschicht 15 darstellt, die sich von unterhalb der Versorgungsrohre 8 bis in der Regel weit oberhalb der Versorgungsrohre 8 erstreckt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kammer
- 2
- Kammer
- 3
- Kammer
- 4
- Austrittsöffnung, Rohrstutzen
- 5
- Austrittsöffnung, Rohrstutzen
- 6
- Austrittsöffnung, Rohrstutzen
- 7
- Abzugsöffnung
- 8
- Versorgungsrohr
- 9
- Wandung
- 10
- Wirbelschichtreaktor
- 11
- Fluidisierungsmedium
- 12
- Fluidisierungsmedium
- 13
- Austrittsrichtung
- 14
- Längsmittelebene
- 15
- Wirbelschicht