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DE2061829C2 - Verfahren zur thermischen Behandlung feinkörniger Feststoffe in einem Wirbelbett mit Innenverbrennung - Google Patents

Verfahren zur thermischen Behandlung feinkörniger Feststoffe in einem Wirbelbett mit Innenverbrennung

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DE2061829C2
DE2061829C2 DE2061829A DE2061829A DE2061829C2 DE 2061829 C2 DE2061829 C2 DE 2061829C2 DE 2061829 A DE2061829 A DE 2061829A DE 2061829 A DE2061829 A DE 2061829A DE 2061829 C2 DE2061829 C2 DE 2061829C2
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Hans-Dieter Dipl.-Phys. Dr. 4300 Essen Schilling
Paul Dr.-Ing. 6380 Bad Homburg Schmalfeld
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Metallgesellschaft AG
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung körniger Stoffe in einem von unten von Wirbelgas durchströmten Wirbelbett, in welchem durch Zufuhr von Zweitluft die Innenverbrennung gesteigert wird.
In der »Chemie-Zeitung« (5956) Nr. 19, S. 676 wird ein Wirbelschichtofen zum Rösten von Zinksulfid beschrieben, in welchem Primärluft von unten durch den Rost und Sekundärluft seitlich in den unteren Teil des Ofens eingeblascn wird. Ein darüberliegender weiterer Luftzusatz verstärkt den Wirbelzustand noch. Die Lufteinspeisungen liegen beim bekannten Ofen in dessen unterer Hälfte.
Aus der DE-OS 15 33 872 ist der Betrieb eines Elektrofließbettes bekannt, das ohne von unten eingeleitetes Wirbelgas arbeitet. Nur kurzzeitig wird ein Hilfsgas eingeblasen, um die Aufwirbelung anzuregen. Die FR-PS 12 68 776 beschreibt die Verbrennung von Kohle im Wirbelbett mit von unten durch den Rost geblasener Luft. Hilfsbrenner etwa in halber Höhe des Bettes sind nur während der Anfahrphase in Betrieb.
Es ist ferner bekannt, bei der thermischen Behandlung nicht brennbarer Stoffe in einer Wirbelschicht die Luft, die zugleich als Trägergas für den Wirbelzustand dient und geeignete, vorzugsweise gasförmige oder flüssige Brennstoffe einzuführen. In einer bekannten Arbeitsweise wird die Luft von unten durch öffnungen oder Düsen im Reaktorboden zugeführt, während der Brennstoff aus seitlich durch die Reaktorwand eingeführten Lanzen in die Wirbelschicht eingeführt wird. Es ist auch bekannt, im Reaktorboden zwei Gruppen von Düsen anzuordnen, von denen eine zur Einführung d■·<■ Luft, die andere zur Einführung des Brennstoffs dient.
In den deutschen Offenlegungsschriften 17 58 244 und 19 43 752 sind Vorrichtungen zum gemeinsamen und gleichzeitigen Einführen von Luft und Brennstoff durch den Boden eines Wirbelschichtreaktors beschrieben, die aus einer Anzahl von Einzeidüsen mit konzentrischen Zuleitungen für Luft und Brennstoff bestehen. Es ist auch bekannt, in eine Wirbelschicht inerte Stoffe Luft und Brennstoff einzuführen und durch über dem Spiegel des Wirbelbettes eingeführte zusätzliche Luftstrahlen eine Nachverbrennung in den Abgasen der thermischen Behandlung herbeizuführen.
Sind die thermisch zu behandelnden Stoffe brennbar, dann kann der Wärmebedarf der thermischen Behandlung durch teilweise Verbrennung dieser Stoffe aufgebracht werden. In manchen Fällen, z. B. bei der Schwelung oder Verkokung feinkörniger Kohlen, ist eine solche Teilverbrennung aber unerwünscht, weil sie den Aschegehalt des erzeugten Kokses unnötig erhöht, während die bei der thermischen Behandlung entweichenden brennbaren Gase und Dämpfe außerhalb des Wirbelreaktors verbrannt werden. Deshalb wird auch in diesen Fällen oft von der Möglichkeit Gebrauch gemacht, den Wärmebedarf der thermischen Behand lung durch Verbrennung eines von außen in die Wirbelschicht eingebrachten Brennstoffes aufzubringen und dafür die brennbaren Gase und Dämpfe, die bei der Schwelung oder Verkokung entweichen, soweit wie möglich als Brennstoff einzusetzen.
Ein Wirbelschichtreaktor benötigt zu seinem Betrieb eine Mindestgasmenge, die als Trägergas durch den Reaktorboden zugeführt werden muß, um den feinkörnigen Stoff im wirbelnden Zustand zu halten. Soll der Wirbelschichtreaktor mit Innenverbrennung betrieben werden, wobei das Trägergas aus Luft besteht, dann ist die Trägergasmenge auch auf den Sauerstoffbedarf der Verbrennungsreaktion abzustimmen, auf den bei der Auslegung des Reaktors Rücksicht zu nehmen ist. Bei der Konstruktion von Wirbelschichtreaktoren entfällt ein großer Teil der Kosten auf den Reaktorboden, weil dieser warmfest ausgeführt werden muß. Deshalb wird der Reaktordurchmesser am Boden so klein wie mößlich gehalten, und die Gasgeschwindigkeit wird möglichst groß gewählt. Um die Einströmgeschwindigkeit des Trägergases möglichst groß wählen zu können und beim Austritt am Spiegel der Wirbelschicht soweit herabzusetzen, daß keine wesentlichen Mengen feinkörnigen Stoffes mitgerissen werden, wird der Reaktormantel nach oben konisch erweitert. Diese Maßnahme ist aber nur für Reaktoren mit kleinen Durchmessern von 1 bis 3 m und Wirbelbetthöh^n von 2 bis 3 m von gutem Nutzen. Für Reaktoren mit großem Durchmesser von 4 bis über 6 m und auch bei geringen Betthöhen von 2 m bis auf 0,5 m herunter ist der Vorteil nur noch klein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Verfahren der eingangs genannten Art flexible Betriebsbedingungen zu haben und ohne Schwierigkeiten auch Teillastbetrieb einstellen zu können. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch erreicht, daß mindestens ein Drittel der dem Wirbelbett zugeführten Luft als Zweitluft in die obere Hälfte der Betthöhe unterhalb des Wirbelbettspiegels eingeführt wird.
Auf diese Weise werden die Luftströme, die als Trägergas und als Verbrennungsluft in den Reaktor eingeführt werden, soweit voneinander unabhängig, daß dere Reaktor mit Teillast betrieben werden kann, ohne die Strömungsverhältnisse im Wirbelbett zu stören. Für den Teillastbetrieb kann die Zweitluft gedrosselt, aber auch ganz abgestellt werden. Der durch den Reaktorboden eingeführte Luftstrom, der die zur Aufrechterhallung des Wirbelzustandes notwendige Trägergasmenge
enthält, kann nunmehr auch um ein Drittel oder bis zur Hälfte verringert werden, ohne die Strömung im Wirbelbett nennenswert zu beeinträchtigen.
Auf die Weise kann die Leistung ebes Wirbelschichtreaktors mit Innenverbrennung bis auf 25% der Normallast gesenkt werden, ohne die Luft teilweise durch Inertgas oder Wasserdampf ersetzen zu müssen. Für die in die obere Hälfte des Wirbelbettes einzuführende Zweitluft ist eine wesentlich geringere Verdichtungsarbeit aufzubringen, als für das durch den Reaktorboden eingeführte Trägergas.
Die Einführung der Zweitluft erfolgt vorzugsweise in mehreren Strahlen derart, daß sie Tangenten an einen gedachten, zum Reaktormantel konzentrischen Kreis bilden, dessen Durchmesser zweckmäßig halb so groß wie jener der Wirbelschicht ist Die Strahlen werden horizontal oder leicht abwärts geneigt
Mit der in die obere Hälfte der Wirbelschicht eingeleiteten Luft können auch stabförmige, flüssige oder gasförmige Brennstoffe zugeführt werden. Das kann in der Weise geschehen, daß Luft und Brennstoff in den Düsen vorgeschalteten Kammern gemischt und schon teilverbrannt werden. Zweckmäßig wird jeder Düse eine Brennkammer zugeordnet, die für eine Leistung von 8,4 bis 33,6 · 106, vorzugsweise 12,6 bis 22 ■ K^kJ/m3 · h ausgelegt ist.
1st der thermisch zu behandelnde, körnige Stoff nicht brennbar, dann werden Luft und Brennstoff sowohl durch die Düsen im Reaktorboden als auch durch die in die obere Hälfte des Wirbelbettes mündenden Düsen eingeführt. Enthält der zu behandelnde, körrnge Stoff eine brennbare Komponente, die verbrannt werden soll, dann kann man sich mit der Einführung von Luft durch den Reaktorboden und die Zweitluftdüsen begnügen. Wird die Einhaltung einer höheren Behandlungstemperatur erforderlich, kann zusätzlicher Brennstoff durch die Düsen im Reaktorboden und/oder durch die Zweitluftdüsen eingeleitet werden, soweit es für die Aufrechterhaltung der Behandlungstemperatur notwendig ist.
Wenn der thermisch zu behandelnde, körnige Stoff Kohle oder Koks ist und durch die thermische Behandlung geschwelt, verkokt oder nachentgast werden soll, dann genügt es, durch den Reaktorboden die als Trägergas erforderliche Luftmenge in das Wirbelbett einzuführen, wobei eine geringe Teilverbrennung des Kokses in Kauf zu nehmen ist. Von den bei der Verkokung entweichenden Gasen und Dämpfen, die bisher nach einer Heißentstaubung ohne Zwischenkühlung unter einem Dampfkessel verbrannt werden, kann ein Teilstrom abgezweigt und als Brennstoff mit der Zweitluft in die obere Hälfte des Wirbelbettes zurückgeführt werden. Dazu wird dieser Teilstrom nach der Entstaubung nur soweit gekühlt, daß er von einem Gebläseverdichter auf den Eintrittsdruck der Zweitluft gebracht werden kann. Hierzu genügt eine Verdichtung auf 200 bis 400 mm Wassersäule in einem Gebläse, das ohne Schwierigkeit für eine Betriebstemperatur von 2000C bis 5000C ausgelegt werden kann. Die Kühlung des Gases auf die Betriebstemperatur des Gebläses erfolgt zweckmäßig durch Einspritzen von Wasser. Diese Arbeitsweise hat bei der Herstellung von Feinkoks als Magerungsmittel, Brikettiergut und Sinterbrennstoff ein weites Anwendungsgebiet. Dabei ist der Koks das Hauptprodukt, während die Verwertung der brennbaren, flüchtigen Verkokungsprodukte eher eine wirtschaftliche Belastung darstellt. Es ist ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, diese flüchtigen, brennbaren Stoffe als Brennstoff für die Innenverbrennung verwerten zu können und die Koksausbeute und die Koksquaiität durch Verminderung des Abbrandes zu verbessern.
Das Verfahren sei anhand der F i g. 1 und 2 näher erläutert F i g. 1 zeigt einen Wirbelreaktor mit Innenverbrennung mit nachgeschaltetem Zyklon.
Fig.2 ist das Fließschema eines Wirbelschichtprozesses mit dem Wirbelreaktor und den dazugehörigen
ίο Einrichtungen für die Zufuhr von Luft und Brennstoff sowie die Rückführung von Reaktionsabgasen als Brennstoff.
Den in F i g. 1 in vertikalem Schnitt dargestellte Wirbelschichtreaktor besteht aus dem Gehäuse 1 mit
is dem zu einem Zyklon 2 führenden Gasabzug 3 und dem Wirbelschichtboden 4. In den Reaktorboden sind Düsen
5 eingesetzt durch die das Trägergas, z. B. Luft und bzw. oder Brennstoff, z. B. ein Brenngas, in die Wirbelschicht
6 eingeleitet werden. Der zu behandelnde körnige Stoff wird durch Dosierschnecken 7, die auf den Reaktorumfang verteilt sind, und von denen hier eine dargestellt ist, in den Reaktor eingeführt. Diese Ausführung kann, wie hier gezeichnet, kurz oberhalb der Wirbelschicht oder auch in der oberen Hälfte der Wirbelschicht liegen. Der behandelte Stoff wird durch Austragsvorrichtungen 9, von denen ebenfalls nur eine dargestellt ist, entnommen. In der oberen Hälfte der Wirbelbetthöhe und unterhalb des Bettspiegels sind Düsen 8 im Reaktormantel angeordnet, die zweckmäßig tangential zu einem zur Reaktorachse konzentrischen Kreis von etwa halbem Durchmesser der Wirbelbettes eingeführt sind und leicht abwärts geneigt sein können und zur Zuführung der Zweitluft dienen. Sie können als Zweistoffdüsen ausgebildet sein, damit zusätzlich zur Zweitluft hilfsweise auch Brennstoff eingeführt werden kann. Die Düsen sind so gestaltet, daß die Zweitluft, gegebenenfalls mit dem Hilfsbrennstoff, in kompakten Strahlen in das Wirbelbett eindringt. Von diesen Düsen, die gleichmäßig auf den Reaktorumfang verteilt sind, ist in Fig. 1 ebenfalls nur eine dargestellt.
Die im Wirbelschichtboden 4 eingesetzten Düsen können für einen Teil der Zuführung der Luft dienen, zum anderen Teil zur Zuführung von Brennstoff. Dann werden, wie in F i g. 1 dargestellt, ein Teil der Düsen 5 durch den Reaktorboden mit der darunter angeordneten, z. B. als Windkammer ausgebildeten Luftsammelleitung 10 verbunden, während andere mittels Rohren 11, die durch die Windkammer hindurchgeführt sind, mit einer unter dieser liegenden, als Kammer ausgebildeten
so Brennstoffsammelleitung 12 verbunden sind.
Mit Vorteil werden hier jedoch die bereits erwähnten in den DE-OS 17 58 244 oder DE-OS 19 43 752 beschriebenen Zweistoffdüsen für Wirbelbettreaktoren verwendet.
In Fig. 2 ist das Fließschema einer Anlage zur Entgasung von Kohle in einem Wirbelbettreaktor dargestellt. Der Reaktor stimmt weitgehend mit dem in Fig. 1 dargestellten überein, weshalb für gleiche Teile auch die gleichen Bezugsziffern verwendet sind. Eine Abweichung besteht darin, daß den Düsen 8 zur Einführung der Zweitluft Brennkammern 13 vorgeschaltet sind, denen durch Ringleitungen 14 und 15 Brennstoff und Zweitluft zugeführt werden. Die zu entgasende Kohle wird durch Dosierschnecken, die in
br> dem Schnitt nicht sichtbar sind und der Aufgabevorrichtung 7 in Fig. 1 entsprechen, in den Reaktor 1 in die darin befindliche Wirbelschicht eingetragen. Der erzeugte Koks wird durch eine Austragsvorrichtung 9 aus
der Wirbelschicht über dem Reaktorboden abgezogen. Durch die Düsen 5 werden Luft und Brennstoff aus den Sammelleitungen 10 und 12 vom Reaktorboden her in die Wirbelschicht eingeleitet. Das an den Mündungen der Düsen entsteK-nde Verbrennungsgas ist Trägergas für die Wirbelvhicht und Wärmeträger für die Entgasung. Aus den Düsen 8 wird ein in den Brennkammern 13 hergestelltes und schon teilweise verbranntes heißes Gemisch von Zweitluft aus Leitung 15 und Brennstoff aus Leitung 14 in kräftigen Strahlen in die obere Hälfte des Wirbelbettes eingeblasen. Es entsteht ein teerarmes Reaktorabgas, das durch die Leitung 3 zum Zyklon 2 geleitet und in diesem entstaubt wird.
Das noch heiße, entstaubte Gas wird zu einem Teil durch die Leitung 16 zur Verwertung abgeleitet und z. B. in einem nicht dargestellten Dampfkessel verbrannt. Der andere Teil wird in der Leitung 17 durch einen Einspritzkühler 18 geleitet und darin auf eine für das nachfolgende Gebläse 19 erträgliche Temperatur von etwa 200 bis 400° C abgekühlt.
Das im Gebläse 19 auf 400 mm Wassersäule verdichtete Brenngas wird den Brennkammern 13 zugeleitet.
Das Gebläse 20 dient zur Verdichtung der Zweitluft, das Gebläse 21 zur Versorgung der Düsen 5 mit Luft.
Das aus dem Zyklon 2 anfallende entstaubte Gas kann jedoch auch durch eine an sich bekannte Teerkondensation mil Abkühlung etwa bis zur Umgebungstemperatur geleitet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll anhand der nachfolgend angeführten zwei Ausführungsformen beispielsweise näher erläutert werden.
Beispiel 1
Der Wirbelbett-Reaktor nach Fi g. 1 ist gut geeignet, um nicht brennbare, inerte Stoffe, wie Sand, Kalk, Dolomit und dergleichen durch lnenverbrennung mit Luft und zugeführtem Brennstoff zu erhitzen. Zu diesem Zweck werden z. B. 50 t Sand stündlich einer bevorzugten Körnung von 0,5—2 mm durch die Dosierschnecke 7 in das Wirbelbett 1 eingeführt, auf z. B. 800° erhitzt und durch den gesteuerten Abzug 9 auf der entgegengesetzten Seite 7 liegend ausgetragen. Das Wirbelbett weist einen lichten Durchmesser von 2,6 m im Unteneil und einen lichten Durchmesser von 4,0 m im Oberteil auf. Der Unterteil ist 0,6 m hoch zylindrisch und geht mit einer Schräge von 60° zur Waagrechten in den Oberteil über. Durch die Düsen 11 werden 9000 NmJ Luft stündlich aus der Windkammer 10 und gleichzeitig 800 kg Heizöl aus der Brennstoffkammer 12 zugeführt. Durch 4 Düsen 8 am Umfang werden gleichzeitig insgesamt 6000 Nm1 Luft und 500 kg Heizöl stündlich aufgegeben. Die Düsen 8 sind hierbei zweckmäßig 0,7 m über dem Wirbelschicht-Boden angeordnet, wobei eine Höhe der Wirbelschicht von 1.0 m einzuhalten ist.
Beispiel 2
In Fig. 2 ist ein Wirbelbett dargestellt, in dem die Oberluft über vorgeschaltete Brennkammern 13 zugeführt wird. Dieses Wirbelbett eignet sich insbesondere
is für die Entgasung und Verkokung von feinkörnigen Kohlen, wobei man tunlichst die Teilverbrennung von Koks unterdrücken will. Es werden stetig 601 zweckmäßig vorgetrockneter Kohle einer Körnung von 0—3 mm stündlich in das Wirbelbett eingebracht, in dem aus der Kohle erzeugter, feinkörniger Koks wirbelt, auf einer Temperatur von 750" erhitzt wird und dabei entgast. Es wird durch Abzug 9 stetig heißer Koks in dem Maße abgezogen, daß das Wirbelbett eine Höhe von 1.2 m beibehält.
Das Wirbelbett weist im Unterteil einen Durchmesser von 5.0 m und im Oberteil einen Durchmesser von 7.5 m auf. Durch den Düsenboden 11 werden 16 000 Nm3 Luft stündlich aufgegeben und zugleich durch den Düsenboden ϊ2 4000 Nm3 Kokereigas mit einem unteren
Heizwert von 42OOkcal/Nm3 zugeführt. Über die Ringleitung 14 werden den 8 Brennkammern 13 11 000 Nm3 Luft stündlich und durch die Ringleitung 15 10 000 Nm3 im Gebläse 19 verdichtetes, feuchtes Gas mit einem Heizwert von 13OOkcal/Nm3 feucht zugeleitet. Luft und Kokereigase werden in den Zweistoff-Düsen 5 intensiv miteinander gemischt und verbrennen bevorzugt miteinander im Unterteil des Wirbelbettes, ohne daß der wirbelnde Koks in nennenswertem Maße mitverbrennt. Durch die Vorverbrennung in den Brennkammern 13 brennt auch bevorzugt das dort eingeführte Gas-Luft-Gemisch miteinander. Somit ist der Koksverlust durch die Verbrennung gering, der Koks kann als Hauptprodukt in hoher Ausbeute gewonnen werden. Bei einer Höhe der wirbelnden Schicht von 1.2 m wird die Achse der Brennkammern 13 zweckmäßig in einer Höhe von 0.8 m über dem Wirbelbett-Boden angeordnet
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur thermischen Behandlung körniger Stoffe in einem von unten von Wirbelgas durchströmten Wirbelbett, in welchem durch Zufuhr von Zweitluft die Innenverbrennung gesteigert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Drittel der dem Wirbelbett zugeführten Luft als Zweitluft in die obere Hälfte der Betthöhe unterhalb des Wirbelbettspiegels eingeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweitluft in mehreren, über den Reaktorumfang verteilten Strahlen eingeführt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweitluft in tangentialen, horizontalen oder leicht abwärts geneigten Strahlen eingeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweitluft Brennstoff zugefügt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß Zweitluft und Brennstoff in einer jedem Luftstrahl zugeordneten Brennkammer gemischt und teilverbrannt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff das aus dem Wirbelbett entweichende, brennbare Gase und Dämpfe enthaltende Abgas verwendet wird.
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