DE2628180A1

DE2628180A1 - Waermeuebertragungselement und duese fuer einen wirbelschichtreaktor

Info

Publication number: DE2628180A1
Application number: DE19762628180
Authority: DE
Inventors: Walfred Wilhelm Jukkola; Andrew Beaumont Steever
Original assignee: Dorr Oliver Inc
Current assignee: Dorr Oliver Inc
Priority date: 1975-06-25
Filing date: 1976-06-23
Publication date: 1977-01-20
Also published as: AU504518B2; NL184667C; BR7603735A; ES449169A1; JPS524473A; NL7606210A; IT1062373B; IN145000B; ZA762976B; GB1506686A; CA1074085A; JPS5850134B2; FR2315315B1; BE843331A; AU1428376A; US3982901A; FR2315315A1; NL184667B

Description

Dr. Hans-Heinrich Willrath

Dr. Dieter Weber Dipl.-Phys. Klaus Seiffert

PATENTANWÄLTE

File 1942

D-62 WIESBADEN 1 PostfaA 6145

Gustav-Freytag-StraSe Ϊ5 β (06121) 372720 Telegrammadresse: WILLPATENT Telex: 4-186247

22. Juni 1976

Dorr-Oliver Incorporated, 77 Havemeyer Lane, Stamford, Connecticut 06904 /USA

Wärmeübertragungselement und Düse für einen Wirbelschichtreaktor

Priorität: 25. Juni 1975 in USA, Serial-No. 590 141

Die Erfindung richtet sich auf eine neue Düse bzw. Blasform und einen Wärmetauscheraufbau für einen Wirbelschichtreaktor.

Wirbelschichtreaktoren sind äußerst vielseitig verwendbare bzw. anpassungsfähige Vorrichtungen, die in verschiedenen

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Ausführungsformen die Verfahren des Trocknens, Klassierens oder Sortierens, Röstens oder Brennens, Ausglühens oder
Calcinierens, die Wärmebehandlung von Festkörpern mit Gasen auf chemischem, metallurgischem und anderem Gebiet der Materialverarbeitung sowie die Erzeugung von heißen Gasen,

einschließlich J),ampf zur Verwendung in elektrischen Kraftausfuhren Können.

erzeugungsanlagen. Wenn der Wirbelschichtreaktor verwendet wird, um exotherme Reaktionen auszuführen, ist es oft notwendig, überhohe Temperaturen im Reaktor durch Schaffung
von Kühleinrichtungen zu verhindern, entweder innerhalb
des Preibordvolumens oder in der Festkörperwirbelschicht.
Die Kühleinrichtung kann die Form von Kühlspulen annehmen, durch welche ein Prozeßfließmittel, welches ein Gas oder
eine Flüssigkeit sein kann, zum Abführen übermäßiger Wärme umgewälzt wird. Die von dem Fließmittel abgenommene Wärme
kann oft zur Erwärmung in anderen Stufen eines Prozesses
oder zur Krafterzeugung verwendet werden. Manchmal sind die Kühlspulen in den Wänden der Reaktorkammer angeordnet, wo sie gut gegen die oft heftigen erosiven und korrosiven Bedingungen in der Reaktorkammer geschützt sind.

Die Bedingungen in der Wirbelschicht sind oft die rauhesten oder härtesten von allen in exothermen Reaktionen, denn die Temperatur in der Schicht ist ziemlich höher als sonst im Reaktor, und die heftig hin- und herbewegte und relativ hohe Konzentration der Feststoffteilchen führt zu den sehr erosiven Bedingungen, die man im Reaktor findet. Es war üblich, Innen-

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schichtwärmetauscherspulen horizontal auszurichten, wobei bzw. Wendeln

Spulen /mit Haarnadelform in der Reihe verbunden sind. Horizontalspulenkonfigurationen dieser Art findet man in der britischen Patentschrift 895 791, veröffentlicht am 9. Mai 1962, in der US-Patentschrift 2 798 034 (J. W. Swaine et al), veröffentlicht am 16. April 1957 und in der US-Patentschrift Nr. 2 825 628 (A. Johannsen et al), veröffentlicht am 4. März 1958. Im allgemeinen sind horizontale Zusammensetzungen die besten, wo nur ein mäßiger Betrag am Wärmetauscherflachenbereich erforderlich ist, weil die horizontalen Spulen eine relativ einfache Art des Eintritts und der Halterung über die Seite des Reaktors haben. Die vertikale Ausrichtung der Spulen stören den Freibordbereich bei Sammlern bzw. Verteilern und beim Halterungsaufbau oder kompliziert den der Einschnürungs- bzw. Kontraktionsplatte zugeordneten Aufbau.

Bei Druckwärmetauschern neigt die fluidisierte Schicht dazu, infolge des erhöhten Druckes ziemlich kompakt zu sein. Diese kompakte Schicht erlaubt eine Maßverkleinerung der Reaktionskammer und erhöht eine hohe Wärmeübergangsgeschwindigkeit von den Feststoffen der Schicht zu den Wärmetauseherspulen. Um jedoch den Vorteil dieser Vorzüge des unter Druck stehenden Fließmittelschichtwärmetauschers zu genießen, ist es notwendig, eine hohe Konzentration von Spulen in der Wirbelschicht zu haben. Um außerdem eine angessene Massenfließgeschwindigkeit in den Spulen zu haben, so daß iie gewünschte Wärmeübergangsgeschwindigkeit zu dem Kühlmedium erhalten wird,und aus anderen Gründen,

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wie ζ. B. das Ausschalten des Dampfklopfens, fand man es

oder Wendeln für notwendig, viele Spulen An Reihe verbunden zu haben.

Horizontale Spulen unterliegen dem Abrieb, der um ein Vielfaches größer ist als er bei vertikal ausgerichteten Spulen erwartet wird.Dieses Aussetzen dem Abrieb gegenüber hat eine drastische Wirkung auf die Lebenserwartung horizontaler Spulen und unter denselben Wartungsbedingungen haben vertikale Spulen eine Lebenserwartung von mindestens 3 bis 5mal der von horizontalen Spulen oder Wicklungen. Im Falle vertikal ausgerichteter Spulen oder Wendeln unterliegen die Doppelkrümmer, welche in Reihe die vertikalen Strecken der Leitung verbinden, dem größten Abrieb infolge der örtlichen Turbulenz, welche durch die Krümmer erzeugt wird, die selbstverständlich eine horizontale Ausrichtungsgestalt haben.

Ein neuer Aufbau ist nun in einem Wirbelschichtreaktor vorgesehen worden, in welchem die Wärmetauscherwendeln vertikal ausgerichtet sind, deren untere Doppelkrümmer unter der Kontraktions- oder Einschnürplatte des Reaktors angeordnet sind und somit nicht der Erosion in der Schicht unterliegen und die quer zur Kontraktionsplatte in einem kombinierten Aufbau mit den Düsen dieser Kontraktionsplatte verlaufen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Wärmetauscheraufbauanordnung in einem Wirbelschichtreaktor, in welchem vertikale Strecken der Wärmetauscherleitung die

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Kontraktionsplatte des Reaktors kreuzen bzw. überspannen.

Gemäß einem Merkmal dieser Erfindung ist es vorteilhaft, wenn ein Düsen- bzw. Blasformaufbau in dem Wirbelschichtreaktor mit dem vertikal ausgerichteten Wärmetauscher vorgesehen ist, wobei der Düsenaufbau zu der vertikalen Wärmetauscherleitung, welche die Kantraktionsplatte überspannt, paßt und diese haltert.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt eines WirbeIschicht_reaktors mit vertikal ausgerichteten Wärmetauscherwendeln und Düsen gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Sammler- und Verteileraufbau für den Wärmetauscher entlang der Linie 2-2 der Figur 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht des Düsenaufbaus gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht einer Wärmetauscherwendel bzw. -spule gemäß der Erfindung, teilweise im Schnitt,

Fig. 5 eine Schnittansicht unter Darstellung des Inneren eines

der Wärmetauscherrohre entlang der Linie 5-5 der Figur 609883/1 129

und

Fig. 6 eine Ansicht der Wärmetauscher- und Düsenaufbauten entlang der Linie 6-6 der Figur 4.

Allgemein gesagt weist die Wärmetauscherwendelanordnung gemäß der Erfindung eine Mehrzahl von vertikal ausgerichteten Wendeln oder Platten auf, in welchen die unteren Doppelkrümmer der Wendeln unter der Kontraktionsplatte des Wirbelschichtreaktors angeordnet sind, während seine vertikalen Leitungsstrecken durch die Kontraktionsplatte in der Mitte der Düsen in derselben hindurchgehen und von den Düsengehaltert werden.

Speziell ist ein Wirbelschichtreaktor mit vertikal ausgerichteten Wärmetauscherwendeln im Wirbelschichtbereich versehen, wobei die unteren Doppelkrümmer desselben unter der Kontraktionsplatte des Wirbeischichtreaktors angeordnet sind und die Einlaß- und Auslaßverteiler bzw. -Sammler für die Wärmetauscherwendeln in der Reaktorwindkammer angeordnet sind. Die vertikalen Leitungsstrecken der Wärmetauscherwendeln gehen durch und werden von den Düsen der Kontraktionsplatte gehaltert und sind an diesen befestigt. In den Düsen können die vertikalen Rohrstrecken einen verengten Durchmesser haben mit einem ringförmigen Durchlaß in der Düse, welche die Wärmetauscherleitung umgibt, und zwar zur Schaffung einer Verbindung zwischen der Windkammer des Reaktors und den Düsenöffnungen. Eine Isolierschicht umgibt die Wärmetauscherleitung in der Düse und bildet die innere Oberfläche des Luftdurchgangs.

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Die Düse hat einen länglichen Aufbau, der an seinem Boden an einer entfernbaren Platte angeschweißt ist, während er an ihrem oberen Ende an der Wärmetauscherleitung angeschweißt ist. Die entfernbare Platte ist am Stützaufbau der Kontraktionsplatte befestigt. Der längliche Bau der Düsen und die Tatsache, daß dort nur eine einzige Stützstelle für jede Strecke der vertikalen Leitung vorgesehen ist, schafft die Möglichkeit, daß diese als thermische oder Wärmehülse zwischen der Kontraktionsplatte und dem Wärmetauscherrohr arbeitet.

In Figur 1 ist ein Wirbelschichtreaktor 10 gezeigt, der vertikal angeordnete Wärmetauscherwendeln 28 und 29 aufweist, die in dem Reaktor 10 gemäß der Erfindung angeordnet sind. Der Wirbelschichtreaktor 10 hat eine äußere Metallschale 11, die mit einer hitzebeständigen Isolierung 12 ausgekleidet ist. Das Innere des Reaktors 10 ist durch die Kontraktionsplatte 13 in zwei Kammern geteilt mit einer Reaktionskammer 16 über der Kontraktionsplatte 13 und ein—er kleineren Windkammer 17 unter der Kontraktionsplatte 13. Mehrere horizontale Stahlträger 14 in der Nähe der Oberseite des Windkastens 17 sorgen für die Stützung oder Lagerung der Kontraktionsplatte 13. Eine Gaseinlaßleitung 19 ist für die Beschickung fluidisierender Gase zur Windkammer 17 vorgesehen. An der Stelle, wo die Gaseinlaßleitung 19 durch die Wand der Reaktorschale hindurchgeht, ist eine thermische Hülse 21 vorgesehen, um die Belastung auf der Wand des Reaktorkessels

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infolge einer Temperaturdifferenz zwischen der Leitung 19 und der Schale 11 minimal zu halten. Der Windkasten 17 ist mit einer Ausräumöffnung 18 versehen, durch welche Festkörperteilchen, die sich in dem Windkasten angesammelt haben, entfernt werden können. Ein Ausblasauslaß 22 mit Zugang zum Freibordbereich der Reaktorkammer 16 ist zum Leiten abgehender Gase von der Reaktionskammer 16 vorgesehen. Ein Beschickungseinlaß 23 geht durch die Wand der Reaktionskammer hindurch und wird zum Nachfüllen von Schichtmaterial verwendet. Eine thermische Hülse 24 ist für den Beschickuhgseinlaß 23 vorgesehen. Eine Entnahmeleitung 26 mit ihrer eigenen thermischen Hülse 27 schafft Zugang zur Reaktionskammer für das Entfernen überschüssigen oder verbrauchten Schichtmaterials. Eine oder mehrere Brennstoffpistolen 25 sind am Umfang um den Reaktor angeordnet, um Brennstoff in die Reaktorkammer zu liefern. Düsen 51 sind in der Kontraktionsplatte vorgesehen, um fluidisierte Luft in der Reaktionskammer 16 einzulassen sowie für andere Zwecke, wie nachfolgend beschrieben wird. Eine Masse Festkörperteilchen 46 ruht auf der Kontraktionsplatte 13 und wird in Abhängigkeit von Gasen,welche in die Reaktionskammer 16 hinein durch die Düsen 51 zugeführt werden, eine expandierte fluidisierte Schicht, welche die Reaktionskammer bis zu dem bei 48 gezeigten Niveau einnimmt. Schichtmaterial kann nach unten durchsichten,um den Rand 50 neben den Düsen in der Kontraktionsplatte 13 zu füllen.

Die Verteiler- und S aiimler anordnung für die Wärme tauscher wen-

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dein ist im Windkasten angeordnet und ausführlich in den Figuren 1 und 2 gezeigt. Somit geht ein Prozeßfließmitteleinlaß 39 in den Windkasten 17 durch die Schale 11 und die hitzebeständige Auskleidung 12 mittels einer thermischen Hülse 41 hinein. Im Windkasten ist der Prozeßfließmitteleinlaß mit dem Verteiler 32 verbunden, der über die Verbindungsleitung 34 mit dem Einlaßverteiler 33 verbunden ist. Die Einlaßverteiler 32 und 33 sind an eine Mehrzahl von Wärmetauscherwendeln über Anschlüsse 68 an bestimmten vertikalen Rohrstrecken 30 angeschlossen. Am gegenüberliegenden Ende jeder Wärmetauscherwendel auch Windkasten 17» ist ein Auslaßsammler 36 angeordnet, der mit einem zweiten Auslaßsammler 37 über die Verbindungsleitungen 38 verbunden ist. Die Auslaßsammler 36, 37 sind an den Anschlüssen 69 mit den vertikalen Rohrstrecken 31 verbunden. Ein Enozeßfließmittelauslaß 42 ist am Sammler 36 angeschlossen und geht durch die Wand des Reaktors mittels der thermischen HQlse 43.

Die örtliche Lage der Düsen 51, die Kontraktionsplatte 13 und die vertikalen Strecken der Wärmetauscherleitung 31 kann man am besten in Figur 3 sehen. Horizontale Balken 14, die in der Wand des Reaktors 10 verankert sind, haben einen oberen Flansch 45, der eine Stütze für eine in den Kästen verpackte Isolierung 44 vorsieht, welche die Hauptstützoberfläche der Kontraktionsplatte 13 darstellt. Die Träger 14 haben Bodenflansche 49, an denen mittels Schrauben oder dergleichen entfernbare Platten 56 angebracht sind, die eine im allgemeinen rechteckige Gestalt haben. An jeder entfernbaren Platte 56 ist z. B. durch die

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Schweißstellung 54 eine Mehrzahl von Düsen 51 angeschweißt. Die Düsen 5t weisen eine längliche Metallschale 53 auf, die sich von der entfernbaren Platte 56 nach oben bis zu einem Niveau über der Oberfläche der Kontraktionspiatte 13 erstreckt. Bei einem Niveau oberhalb der oberen Fläche der Kontraktionsplatte 13 sind die Düsen 51 mit mehreren öffnungen 62 versehen, weihe durch die Wand 53 der Düse hindurchgehen. Die vertikale Strecke der Wärmetauseherleitung 31 ist mittig zur Düse 51 und entlang ihrer Längsache angeordnet. Die Düse 51 ist an ihrem oberen Ende an dem vertikalen Lauf der Leitung 31 mittels der Schweißstelle 57 befestigt. Innerhalb der Düse 51 hat die vertikale Leitung 31 einen Teil 58 mit verringertem Durchmesser, der sich über das größte Stück der Länge der Düse 51 erstreckt. In der Düse befindet sich die verkleinerte Leitung 58 in Berührung mit einer Isolierschicht 59 und wird von dieser umgeben. Zwischen der Isolierschicht 59 und der Schale 53 der Düse befindet sich ein ringförmiger Luftdurchlaß 61, der sich von den öffnungen 62 zum Boden der Düse 51 erstreckt, um eine Verbindung mit dem Windkasten 17 zu schaffen.

In Figur 4 ist der innere Aufbau der vertikalen Strecken der Leitung in der Wirbelschicht 46 beschrieben, und die örtliche Lage des Düsenaufbaus ist ersichtlich. Die Fließbahn durch die vertikalen Strecken der Leitung 31 ist ein ringförmiger Kanal 78, weil das Mittelteil des Rohres 31 von dem Rohrkern 7/1 eingenommen wird. Die Rohrkerne, welche feste Körper slnd_e werden in ihrer mittigen Stellung von radialen Nasen oder Stützen

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76 gehaltert. Die Gruppe der Stützen am unteren Ende der Rohrkerne 71 ist in Draufsicht in Figur 5 gezeigt. Man sieht, daß die Stützen 76 mittels der Schweißstellen 73 an dem Kern 71 angeschweißt sind. Die Stützen 76 sind auch an die Leitung 31 über die Schweißstellen 74 angeschweißt. Die Anordnung der Stützen am oberen Ende der Kerne 71 ist recht ähnlich der eben erörterten, mit der Ausnahme, daß die Stützen 76 nicht am Rohr 31 angeschweißt sein müssen.

Im Betrieb des Wirbelschichtreaktors, welcher die erfinderischen Maßnahmen aufweist, wird Brennstoff durch die Brennstoffpistolen 25 eingeführt. Eingespritzte Luft kann mit dem Brennstoff durch die Brennstoffpistolen 21 entweder als Brennstoffträger für feste Brennstoffe eingeführt werden, oder um die Brennstoffverteilung zu verbesserndem! flüssiger Brennstoff verwendet wird. Fluid!siergase, die sich bei einer etwas erhöhten Temperatur befinden können, werden durch die Einlaßleitung 19 eingeführt. Das durch die Einlaßleitung 19 hindurchgehende Gas kreuzt die Kontraktionsplatte 13 durch die Düsen 51 und wird von den Düsenöffnungen 62 ausgegeben, um die Festttoffteilchen in der Reaktionskammer 16 zu fluidisieren. Die in der Schicht 46 erzeugten Brenngase bewegen sich durch die Schicht zu dem Freibordraum in der Reaktionskammer 16. Von diesem Raum werden die Gase durch den Ausblasauslaß 22 für eine weitere Behandlung und/oder Verteilung fort geführt. Das Prozeßfließmittel wird mittels des Prozeßfließmitteleinlasses 39 eingeführt, welcher Verbindung zum

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Einlaßverteiler 32 schafft. Mittels der Verbindungsrohre 34 ist der Einlaß 3 9 auch mit dem Verteiler 33 verbunden. Die Einlaßendrohre 31 der Wärmetauscherwendeln sind mit den Verteilern 32 und 33 verbunden und das Fließmittel kreuzt die Wärmetauscherwendeln, um die Wärme von der Schicht fortzunehmen, und erreicht hierdurch die gewünschte Temperatur für das Prozeßfließmittel. Das heiße Prozeßfließmittel wird in die Auslaßsammler 36 und 37 durch Auslaßendrohre 31 abgezogen. Die Sammler 36 und 37 stehen miteinander über die Verbindungsrohre 38 in Verbindung. Von den Auslaßsammlern bewegt sich das Prozeßf ließmjtfcel durch- den Prozeßfließmittelauslaß 42, von dem es zu der (nicht gezeigten) Vorrichtung zur Wiedergewinnung von Wärme und Sir die Krafterzeugung oder für andere Zwecke geleitet werden kann. Beim Kreuzen der Kontraktionsplatte 13 fließt das Pimeßfließmittel durch die Leitung 58, welche in der Düse 51 liegt. Gemäß Darstellung hat die Leitung in der Düse einen beschränkten Durchmesser, aber in anderen Fällen kann auch eine Leitung mit gleichmäßigem Durchmesser verwendet werden. Da das Prozeßfließmittel in der Düse ziemlich heiß ist, ist eine Isolierschicht 59 auf diesem Teil der Leitung vorgesehen, welche dazu dient, die Wärme zurückzuhalten, die sonst an das Gas

61 verloren ginge, welches in dem ringförmigen Kanal der Düse 51 fließt. Für denselben Zweck kann eine Isolierung auf den unteren Doppelkrümmern vorgesehen sein. Der Kern 71 in der Vertikalleitung 31 unterstützt den Erhalt der gewünschten Wärmeübergangsgeschwindigkeit. Wenn dieser Kern an seinem Platz ist, wird ein Rohr 31 mit tfelativ großem Durchmesser

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und einem erhöhten Oberflächenbereich den heißen fluidisierten Feststoffen in der Wirbelschicht ausgesetzt. Eben dieser vergrößerte Oberflächenbereich führt zu der höheren Wärmeübergangsgeschwindigkeit. Das Fließmittel in jeder Wärmetauscherwendel folgt einer Serpentinbahn, die zuerst nach obenin das Rohr oder die Leitung hineinführt, welche den fluidisierten Feststoffen ausgesetzt ist, dann nach unten durch die Leitung, welche den fluidisierten Feststoffen ausgesetzt ist, in die durch die Isolierschicht isolierte Düse hinein, durch den unteren Doppelkrümmer hindurch und dann nach oben durch eine andere Düse und in die vertikale Leitung hinein für ein zusätzliches Wärmen. Schließlich erreicht das Prozeßfließmittel die Auslaßsammler 36 und 37, von denen es sich durch den Prozeßfließmittelauslaß 42 für den Anschluß an die (nicht gezeigte) Vorrichtung zur Wiedergewinnung von Wärme oder zur Krafterzeugung oder zu anderen Zwecken bewegt.

Die Feststoffteilchen in der Wirbelschicht befinden sich in

sich
heftiger Bewegung, wenn/der Wirbelschichtreaktor im Betrieb befindet, und folglich ist der Abrieb der Schichtteilchen ein laufender Zustand. Die in der Schicht auf diese Weise erzeugten Feinteile verlassen im allgemeinen die Reaktorkammer mit den Ausblasgasen. Aus diesem Grund müssen die Feststoffteilchen von Zeit zu Zeit nachgefüllt werden, die Leitung 23, welche mit der Reaktionskammer in Verbindung steht, sorgt für eine Einführeinrichtung zusätzlicher Feststoffteilchen in die Reaktionskammer hinein. Im Falle einiger Reaktionen,

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die in der Schicht erfolgen, werden die Schichtfeststoffe verbraucht oder erschöpft und müssen ersetzt werden. Die Leitung 22 sorgt für eine Einrichtung zum Entfernen verbrauchter Schichtfeststoffe. Durch die Zugabe neuer Feststoffteilchen durch die Leitung 23, wenn Schichtmaterial an einer anderen Stelle abgezogen wird, kann die Eigenschaft der Wirbelschicht stabilisiert werden.

Bei einer Anwendung des Wirbelschichtreaktors gemäß der Erfindung wird der Reaktor dazu verwendet, Kohle als Brennstoff zu verbrennen, und erzeugt dadurch heiße Gase, die in der Lage sind, eine Gasturbine anzutreiben, die ihrerseits einen Generator zur Erzeugung elektrischen Stromes antreibt. Die Verwendung von Brenngasen aus brennender Kohle für den Antrieb von Gasturbinen hat den Nachteil, daß die Brenngase oft große Mengen Schwefelverbindu-ngen enthalten, welche die Gase sehr korrosiv machen, wenn sie mit den Turbinenschaufeln in Berührung kommen. Außerdem ist die Entnahme schädlicher Gase mit Schwefelverbindungen in die Atmosphäre hinein vom Gesichtspunkt der Umwelt unerwünscht. Die Brenngase enthalten auch erhebliche Mengen von Feststoffen, die erosiv (abrasiv) sind, wenn sie auf die Turbinenschaufeln auftreffen. Folglich muß eine erhebliche Menge von die Vorrichtung reinigendem Gas ~ zwischen dem Wirbelschichtreaktor und der Gasturbine eingeschaltet werden und durchläuft diese Vorrichtung, was zu einem erheblichen Druckabfall und folglich auch Energieverlust führt. Die hier beschriebene Vorrichtung neigt zum Minimalhalten dieser Schwierigkeiten er-

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stens dadurch, daß der Schwefelgehalt in den Brenngasen erniedrigt wird, und zweitens dadurch, daß der Staubgehalt der heißen Gase reduziert wird. Das erste Ziel wird durch eine geeignete Temperatursteuerung in einer Wirbelschicht mit geeigneten Schichtfeststoffen erreicht, während das zweite Ziel dadurch realisiert wird, daß man heiße, staubfreie Luft als einen Bestandteil der heißen Gase verwendet, die für den Antrieb der Gasturbine ben^utzt werden.

Für diese Anwendung wird Luft durch die Einlaßleitung 19 bei einer Temperatur von etwa 343 ⁰C (650 ⁰E) zugeführt. Die Wirbelschicht besteht aus Kalkstein oder Dolomit mit einer mittleren Partikelgröße von bis zu 3,18 mm (1/8 Zoll) Durchmesser oder dergleichen. Brechkohle wird in die Wirbelschicht durch die Brennstoffpistolen 25 eingeführt. Die Kohle brennt in der Wirbelschicht welche eine gesteuerte Temperatur von etwa 927 ⁰C (1700 ⁰F) erreicht. Der Schwefel in der Kohle neigt dazu, bei dieser Temperatur in dem Kalkstein der Schicht zu reagieren, und das Produkt dieser Reaktion, CaSO-, bleibt in der Schicht (wenn Dolomit verwendet wird, wird auch etwas MgSO. gebildet}. Das Calciumsulfat, welches somit in der Wirbelschicht gebildet wird, kann durch die Entleerungsleitung 26 abgezogen werden, während frischer Kalkstein durch die Einlaßleitung 23 eingeführt wird. Es ist interessant zu bemerken, daß das aus der Wirbelschicht abgezogene Calciumsulfat in einer anderen (nicht gezeigten)Vorrichtung wieder erwärmt werden kann, um das SO₃-GaS in der Anfangsstufe der Produktion von Schwefel-

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säure auszutreiben, während der somit erzeugte Kalk in den Wirbelschichtreaktor 10 zur Wiederbenutzung in diesem Prozeß zurückgeführt werden kann.

Das in die Einlaßleitung 39 eingeführte Prozeßfließmittel ist vorzugsweise Luft und erreicht beim Durchlaufen quer durch die Wärmetauscherwendein 28 und 29 eine Temperatur von etwa 734 ⁰C (1360 ⁰F). Diese saubere,heiße Luft wird dann zu der Gasturbine geführt. Die aus der Gasauslaßleitung 22 abgegebenen Brenngase sind im wesentlichen frei von Schwefel und müssen nur noch von Staubteilchen befreit werden, bevor die Brenngase der Gasturbine zugeführt werden.

Wie oben festgestellt, hat die heftige Bewegung der Kleinkörpermasse in der Wirbelschicht einen äuerst erosiven Effekt auf die oberen Doppelkrümmer 66 der Wärmetauscherwendeln, während die vertikalen Rohrstrecken 31 weniger der Erosion unterliegen. Folglich müssen die oberen Doppelkrümmer entweder armiert werden; d. h. aus Rohren geformt werden, die sehr schwere Wände haben, oder die oberen Doppelkrümmer müssen sich weit über die Wirbelschicht von Feststoffen und aus dieser heraus erstrecken (siehe die gestrichelten Linien in Figur 1). Das Verlängern der oberen Doppelrohrkrümmer über das Niveau der Wirbelschicht beinhaltet ein gewisses Opfer an Wärmeübertragungslei stung.

Die unteren Doppelkrümmer 67 sind, wie oben beschrieben, unter der Kontraktionsplatte 13 im Windkasten 17 angeordnet und unter-

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liegen somit nicht der Schichterosion. Die entfernbaren
Platten 56, die aus einem Stück mit den Düsen 51 und den
Wärmetauscherwendeln bestehen, sorgen für eine Einrichtung zum leichten und guten Entfernen der Wärmetauscherwendeln
und Düsen für den Ersatz oder die Reparatur. Das Entfernen geschieht einfach durch Herausschrauben der die Platten am unteren Flansch 56 haltenden Schrauben, und dann fällt die Wendelanordnung frei von der Kontraktionsplatte 13 ab und
kann durch ein (nicht gezeigtes)Mannloch in dem Windkasten 17 entfernt werden.

Es sind zwar horizontal ausgerichtete Brennstoffpistolen
dargestellt worden, es ist aber auch möglich und manchmal
sogar erwünscht, vertikal ausgerichtete Brennstoffpistolen zu haben, welche die Kontraktionsplatte durch den Windkasten 17 durchdringen. Somit könnte eine bestimmte Zahl vertikal ausgerichteter Brennstoffpistolen ersetzt werden durch einige dargestellte Düsen 18. Eine Art von vertikal ausgerichteter Brennstoffpistole ist in der US-Patentschrift 3 861 gezeigt und beschrieben, die am 21. Januar 1975 für die Erfinder auch der vorliegenden Anmeldung erteilt wurde.

Luft wurde als das Prozeßfließmittel von Interesse für den vorliegenden Fall erwähnt, ist es aber auch möglich, andere Wärmebehandlungsmedien zu verwenden, wie z. B. Wasser, und in einigen Fällen sogar flüssiges Metall NaK.

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Es ist somit ein neuer kombinierter Düsen- und Wärmetauscheraufbau gezeigt worden, welcher die Montage und den Betrieb vertikal ausgerichteter Warmetauscherwendeln für den Wärmeübergang in der WJcbe!schicht vereinfacht.

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Claims

Patentansprüche

(1♦ Wirbelschichtreaktor mit einer Reaktionskammer, einem Windkasten, der von der Reaktionskammer durch eine Kontraktions- und Einschnürungsplatte getrennt ist, einem Körper oder einer Masse von Feststoffteilchen, welche der Fluidisierung auf der Kontraktionsplatte unterworfen sind und mit mehreren Wärmetauscherwendeln, dadurch gekennzeichnet, daß vertikal ausgerichtete Rohrstrecken (31) in Reihe durch obere und untere Doppelkrümmer (66, 67) verbunden sind, die vertikalen Rohrstrecken (31) durch die Kontraktionsplatte (13) gehen und in Berührung mit der Masse Festkörperteilchen angeordnet sind zum Wärmeaustausch mit den Feststoffen im fluidisierten Zustand, die unteren Doppelkrümmer (67) unter der Kontraktionsplatte (13) angeordnet sind, mehrere längliche Düseneinrichtungen (51) in der Kontraktionsplatte (13) angeordnet sind und sich in die Reaktionskammer (16) hinein erstrecken mit den kombinierten Funktionen, fluidisiertes Gas durch die Kontraktionsplatte (13) in die Reaktionskammer (16) hinein zu führen, Zugang durch die Kontraktionsplatte (13) für die vertikalen Wärmetauscherrohrstrecken (31) vorzus-sehen, die vertikalen Rohrstrecken (31) zu stützen und thermische Hülsen für die Anpassung an differentielle Wärmeausdehnung zwischen der Kontraktionsplatte und den vertikalen Rohrläufen (31) vorzusehen, daß in jeder Düse (51) ein äußerer, ringförmiger Gasdurchgang (62) für fluidisierendes Gas vorgesehen ist,

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die vertikal ausgerichteten Rohrstrecken (31) jeweils ein Segment in den Düsen (51) und diese kreuzend bzw. quer durch diese gehend aufweisen, eine isolierende Auskleidung (59) auf jedem der Segmente di~e innere

und daß Oberfläche des ringförmigen Gasdurchgangs bilden ,/die Düsen (51) an ihren unteren Enden an der Kontraktionsplatte (13) und an ihren oberen Enden an den vertikalen Rohrstrecken (31) für ihre Halterung befestigt sind.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Doppelkrümmer (66) in der Masse fluidisierter Feststoffteilchen angeordnet sind.
3. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Doppelkrümmer (66) im Freibordraum über der Masser der fluidisierten Feststoffteilchen angeordnet sind.
4. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil jeder vertikalen Leitungsstrecke (31), welches mit der Masse der Feststoffteilchen in Berührung steht, einen länglichen Kern (71) darin aufweist, der auf der Achse der vertikalen Rohrstrecken (31) gehaltert ist zur Bildung eines ringförmigen Kanals (78) zwischen dem Kern (71) und der Wand (30) des vertikalen Rohrs (31), wobei das Prozeßfließmittel in dem rohrförmigen Kanal (78) sich in Berührung mit einer relativ großen Wärmeübergangsfläche während des

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Durchgangs durch die vertikalen Rohrläufe (31) befindet.
5. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (51) , welche einer oder mehreren Wärmetauscherwendeln zugeordnet sind, an einer Stützplatte (56) befestigt sind, die entfernbar an der Kontraktionsplatte (13) angebracht ist.
6. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente der vertikal ausgelegten Rohrstrecken (31) in den Düsen (51) auf den vertikalen Achsen der Düsen (51) angeordnet sind.
7. Reaktor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß jede vertikal ausgerichtete Rohrstrecke (31) einen Abschnitt oder ein Segment (58) verminderten Querschnittes aufweist, der in den Düsen (51) angeordnet ist und diese kreuzt, eine Isolierauskleidung (59) auf jedem Segment (58) mit dem reduzierten Querschnitt die innere Oberfläche des ringförmigen Gasdurchgangs bildet und daß die Düsen (51) an ihren unteren Enden an der Kontraktionsplatte (13) und an ihren oberen Enden an den vertikalen Rohrlaufen (31) für ihre Abstützung befestigt sind.
8. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente der vertikal ausgerichteten Rohrstrecken (31) in den Düsen (51) auf den vertikalen Achsen der Düsen (51) angeordnet sind.

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