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Vorrichtung zum Durchführen einer thermischen Gut-
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behandlung in einer Wirbelschicht, insbesondere Wirbelschichtofen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Durchführen einer thermischen
Gutbehandlung in einer Wirbelschicht, die aus feinkörnigem Bettmaterial besteht
und sich infolge Durchströmung dieses Bettmaterials mit einem im wesentlichen von
unten zugeführten Strömungsmittel über einer Ebene ausbildet, in der die Zuströmwege
für das Strömungsmittel ausmünden. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Wirbelschichtofen
zum Verbrennen von Brennstoffen mit unbrennbaren Festkörperbeimengungen.
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Unter thermischer Gutbehandlung im Sinne der vorliegenden Erfindung
sind jedwede unter thermischer Einwirkung in einer Wirbelschicht ablaufende Prozesse
zu verstehen.
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Dabei kann es sich beispielsweise um Verbrennungsvoryänge, etwa um
die Verbrennung von kfallstoffen, um Röst- oder Trocknungsprozesse, aber auch um
Kühlvorgänge handeln.
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Das Wirbelschichtverfahren und der Durchführung dieses Verfahrens
dienende Vorrichtungen sind allgemein bekannt.
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Kennzeichnend für diesen Stand der Technik ist die Ausbildung einer
Wirbelschicht, die zum Beispiel aus Sand oder sonstigem feinkörnigen Material besteht,
über einem sog. Anströmboden, durch den aus einem unter dem Anströmboden angeordneten
Windkasten Druckluft oder ein anderes Strömungsmittei von unten zugeführt wird,
wodurch die Partikel des Bettmaterials mehr oder weniger angehoben und in turbulente
Bewegungen versetzt werden.
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Das Wirbelschichtverfahren ist an sich für die Verbrennuwj von Abflllstoffen
hervorraqend geeignet, aber bisher dann nicht anwendbar, wenn die Abfallstoffe inbrennbare
Festkörper, wie Steine, Metallteile od. dgl.
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enthalten. Gleiches cjilt für Brennstoffe, in denen unbrennbare Festkörperbeimengungen
enthalten sind. Derartige Festkörperbeimenungen im Brennmaterial sammeln sich auf
den Anströmböden an und beeinträchtigen die für die Aufrechterhaltung der Wirbelschicht
notwendige Strömungsmittelzufuhr durch im Anströmboden enthaltene Strömungskanäle
oder Düsen bis hin zum Erliegen der Wirbelschicht.
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Insbesondere Abfallstoffe in Form von Ringe, Teich-und Klärschlämmen,
aber auch Deponiematerial, sind mit Steinen und Metallteilen durchsetzt und können
daher im Wirbelschichtverfahren nicht verbrannt werden.
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Gleiches gilt für mit Stahleinlagen versehene Altreifen, aber auch
für Haus- und Industriemüll. Auch Brennstoffe mit unbrennbaren Bestandteilen, die
gegenüber dem in der Regel inerten Wirbelschichtmaterial Oberkorn aufweisen und
nicht fluidisierbar sind, entziehen sich der Verbrennung in der Wirbelschicht.
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Angesichts dieser Unzulänglichkeiten des Standes der Technik soll
durch die Erfindung eine Vorrichtung zur thermischen Gutbehandlung in einer Wirbelschicht
geschaffen werden, bei der eine die Ausbildung der Wirbelschicht allmählich fortschreitend
beeinträchtigende Verstopfung der Auströmöffnungen für das Strömungsmittel durch
sich auf einem Anströmboden ansammelnde Festkörper ausgeschlossen ist. Die durch
die Erfindung zu schaffende Vorrichtung soll somit beispielsweise auch das Verbrennen
von Brennstoffen , die mit Steinen, Metallteilen oder sonstigen unbrennbaren Beimengungen
durchsetzt sind, ohne Risiko für eine kontinuierliche Aufrechterhaltung des Prozesses
ermöglichen.
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Diese Aufgabe ist bei einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein mit einer Austragöffnung versehener Raum
das feinkörnige Bettmaterial aufnimmt und daß die Austrittsöffnungen der Zuströmwege
für das Strömungsmittel unter Ausbildung von freien Zwischenräumen zwischen benachbarten
Austrittsöffnungen innerhalb des Bettmaterials in einem vorbestimmten Abstand unter
der Oberfläche der Bettmaterialfüllung ausmünden.
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Während bei herkömmlichen Vorrichtungen dieser Art die Wirbelschicht
sich über einem mit Düsen oder spaltförmigen Zuströmöffnungen versehenen Anströmboden
ausbildet, unter dem sich ein sog. Windkasten befindet, ist bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung kein derartiger Anströmboden vorhanden. Bei der Erfindung füllt das
Bettmaterial den unteren Teil der Vorrichtung vollständig aus und die Austrittsöffnungen
der Zuströmwege für das die Bildung der Wirbelschicht vermittelnde Strömungsmittel
münden in einem vorbestimmten Abstand von der Oberfläche der Bettmaterialfüllung
in letzterer aus, und zwar unter Ausbildung von Zwischenräumen zwischen benachbarten
Austrittsöffnungen. Angesichts dieser Zwischenräume können etwaige Festkörper, die
sich in dem in der Wirbelschicht zu behandelnden, beispielsweise zu verbrennenden
Gut befinden, nach dem Durchtritt durch die Wirbelschicht im Bereich dieser Zwischenräume
zwischen benachbarten Austrittsöffnungen in das unter der Wirbelschicht liegende
Bettmaterial durchfallen und dann durch das nicht wirbelnde Bettmaterial durchsacken,
um dann über eine unterseitige Austragöffnung zusammen mit Lettmaterial abgezogen
werden zu können.
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Die Korngröße derartiger Feststoffkörper ist dabei lediglich durch
die Querschnitte der Zwischenräume zwischen benachbarten Austrittsöffnungen für
das Strömungsmittel begrenzt. Ls ist ersichtlich, daß angesichts dieser Ausbildung
der Vorrichtung eine Ansammlung unbrennbarer Festkörper im Bereich der Austrittsöffnungen
für das Strömungsmittel bzw. über diesen ausgeschlossen ist und mithin eine Beeinträchtigung
der Wirbelschicht durch eine allmählich fortschreitende Verstopfung der Austrittsöffnungen
für das Strömungsmittel nicht eintreten kann. Demgemäß
ermöglicht
die erfindungsgemäße Vorrichtung auch die Verbrennung von Abfallstoffen, die mit
Steinen, Metallteilen oder ähnlichen unbrennbaren Festkörpern versetzt sind, wie
Baumrinde, Klärschlämme und Deponiematerial, aber auch mit Stahleinlagen ausgerüstete
Altreifen und dgl.
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß sich als Zuströmwege für das Strömungsmittel im Abstand voneinander jeweils
unter Ausbildung von freien Zwischenräumen verlaufende Rohrleitungen durch den das
Bettmaterial aufnehmenden Raum innerhalb des Bettmaterials hindurcherstrecken, die
mit in einem vorbestimmten Abstand unter der Oberfläche der Bettmaterial füllung
ausmündenden Austrittsöffnungen versehen sind. Bei den Austrittsöffnungen kann es
sich um invDrbestimmten Abständen längs derartiger Rohrleitungen in den Rohrleitungswandungen
angeordnete Düsenbohrungen handeln oder um mit den Rohrleitungen in Strömungsverbindung
stehende Austrittsdüsen besonderer Gestaltung. Als zweckmäßig hat sich dabei erwiesen,
wenn jeweils mehrere mit Austrittsöffnungen in Strömungsverbindung stehende Rohrleitungen
von einer sich ebenfalls durch das Bettmaterial erstreckenden Sammelleitung gespeist
werden.
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Eine gleichfalls weitere Ausgestaltung sieht vor, daß über verschiedene
Austrittsöffnungen bzw. über jeweils mit einer Sammelleitung in Strömungsverbindung
stehende Gruppen von Austrittsöffnungen verschiedene Medien in die Wirbelschicht
eingedüst werden.
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Nach einem anderen Ausgestaltungsmerkmal können zusätzlich zu den
die Strömungsmittelzufuhr für die Bildung der Wirbelschicht vermittelnden Zuströmwegen
im Abstand unter der Wirbelschicht sich Zuführleitungen für ein Kühlmedium durch
die Bettmaterialfüllung hindurcherstrecken, so daß bei kontinuierlichem Betrieb,
bei dem beispielsweise mit nach unten durchgesackten Festkörpern versetztes Bettmaterial
aus der Bettmaterialfüllung abgezogen und nach dem Absieben der grobkörnigen Verunreinigungen,
wie Steine od. dgl., wieder von oben in den Prozeß eingegeben wird, das allmählich
nach unten absackende, heiße Bettmaterial vor dem Austragen eine gewisse Abkühlung
erfährt. Zur Kühlung des Bettmaterials können auch unter und ggf. zwischen den Strömungswegen
zum Zuführen des die Wirbelschicht-ausbildung vermittelnden Strömungsmittels Tauchheizflächen
angeordnet sein, und zwar in solchem Abstand unter Ausbildung freier Zwischenräume
voneinander, daß das Durchsacken unbrennbarer Festkörper durch die Bettmaterialfüllung
nicht behindert wird.
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In ebenfalls zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann der die
Bettmaterialfüllung aufnehmende Raum ein unterseitig von wenigstens zwei nach unten
konvergierend zueinander verlaufenden Wänden begrenzter Bunker sein, der mit Vorteil
von einem sich nach unten verengendem Trichter abgeschlossen sein kann.
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Bei einer derartigen Ausbildung des die Bettmaterialfüllung aufnehmenden
Raumes ist es zweckmäßig, wenn sich die Austragöffnung an der tiefsten Stelle des
Bunkers befindet und im Bereich dieser Austragöffnung eine Austrageinrichtung angeordnet
ist, wobei diese Austrageinrichtung
eine sich an die Austragöffnung
anschließende Schleuse und eine letzterer nachgeordnete Fördereinrichtung umfassen
kann. Bei der Fördereinrichtung kann es sich um eine Transportschnecke, einen Trogkettenförderer,
eine Vibrationsrinne oder andere für das Fördern fein-körnigen Gutes, das mit Festkörperbeimengungen
verunreinigt ist, eignende Mittel handeln.
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Es ist ersichtlich, daß die Erfindung gleichermaßen in stationären
atmosphärischen Wirbelschichten, in stationären Druckwirbelschichten und auch in
zirkulierenden Wirbelschichten eingesetzt werden kann, desgleichen aber auch neben
der Verwendung in Wirbelschichtöfen auch für Wirbelschichtkühler. Daß neben der
Möglichkeit, gleichzeitig verschiedene Medien in die Wirbelschicht einzudüsen, auch
in Abhängigkeit von dem jeweiligen Bedarfsfalle Heißluft oder Kaltluft als Strömungsmittel
zur Ausbildung der Wirbel.schicht eingesetzt werden kann, versteht sich von selbst.
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Anhand der beigefügten Zeichnung sollen nachstehend einige Ausführungsmöglichkeiten
der Erfindung erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen: Fig. 1 in einem
Vertikalschnitt durch einen Wirbelschichtofen dessen prinzipiellen Aufbau mit in
der Bettmaterialfüllung, die in einem den Ofen nach unten abschließenden trichterförmigen
Bunker aufgenommen ist, verlaufenden und von einer Sammelleitung gespeisten Luftverteilungsrohren,
von denen sich in Düsenköpfen ausmündende Rohrleitungen schräg nach oben forterstreCken,
Fig.
2 in einer Ansicht wie in Fig. 1 einen Wirbelschichtofen, in dem Abfallstoffe verbrannt
werden, die mit unbrennbaren Festkörpern durchsetzt sind, Fig. 3 eine gegenüber
dem Ofen in Fig. 2 um 900 versetzte Vertikalschnittansicht und Fig. 4 ebenfalls
in einer vertikalen Schnittansicht den unteren Teil eines Wirbelschichtofens mit
sich zwischen dem Rohrleitungssystem zum Zuführen von Strömungsmittel erstreckenden
Tauchheizflächen und einem unter letzteren angeordneten Rohrleitungssystem zum Einführen
eines Kühlmediums in das Bettmaterial.
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Bei dem in Fig. 1 mir in seinem prinzipiellen Aufbau veranschaulichten
Wirbelschichtofen 10 geht ein zylindrischer Ofenraum 11 über ein konisches Zwischenstück
12 in ein zylindrisches Unterteil über, das gegenüber dem Ofenraum geringeren Querschnitt
aufweist und einen Aufnahmebunker 13 für die beispielsweise aus feinkörnigem Sand
bestehende Bettmaterialfüllung 14 bildet. Dieser Aufnahmebunker 13 ist unterseitig
von einem sich nach unten verengenden Trichter 15 abgeschlossen, der an seiner tiefsten
Stelle eine Austragöffnung 16 aufweist, an die sich eine zunächst hier nicht weiter
interessierende Austragschleuse 17 mit einer dieser nachgeschalteten Fördereinrichtung
18 anschließt.
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In den mit fein-körnigem Bettmaterial gefüllten Bunker 13 mündet etwa
im Bereich des oberen Endes des den Bunker
unterseitig abschließenden
Trichters 15 eine Sammelleitung 20 ein, die sich im wesentlichen horizontal und
durch den Bunker/die in diesem aufgenommene Bettmaterialfüllung 14 hindurcherstreckt.
Diese Sammelleitung 20 steht über vertikal verlaufende Anschlußstücke 21 mit ebenfalls
in der Bettmaterialfüllung 14 horizontal über der Sammelleitung und rechtwinklig
zu letzterer im Abstand voneinander verlaufenden Rohrleitung 22 in Strömungsverbindung,
von denen sich schräg nach oben verlaufende Rohrverzweigungen 23 forterstrecken,
die in im wesentlichen in einer Ebene angeordneten Düsenköpfen 24 ausmünden. Jeweils
zwischen den mit der Sammelleitung 20 in Verbindung stehenden Rohrleitungen 22 und
den Düsenköpfen 24 sowie den zu diesen hinführenden Rohrverzweigungen 23 sind freie
Zwischenräume und das gesamte Rohrleitungssystem, einschließlich der Düsenköpfe,
ist innerhalb der Bettmaterialfüllung 14 aufgenommen, wobei die Bettmaterialfüllung
um ein vorbestimmtes Maß, das in der Zeichnung mit 25 bezeichnet ist,über die Ebene
hinausragt in der die Düsenköpfe 24 angeordnet sind.
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Die Abfallstoffe werden mittels einer hier nicht interessierenden
Aufgabevorrichtung 28 durch eine in vertikalem Abstand über der Wirbelschicht 30
die Ofenwandung durchbrechende Eintragöffnung 26 in den Ofen eingeführt und in bekannter
Weise im Wirbelbett verbrannt.
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Die anfallenden Rauchgase, und von diesen ggf. mitgeführte Aschebestandteile,
treten durch eine im oberen Teil des Ofens angeordnete, hier nicht weiter interessierer
Gas-Austrittsöffnung 27 aus. Während die brennbaren Bestandteile der aufgegebenen
Abfallstoffe nach einer ggf. vor dem Eintauchen in die Wirbelschicht erfolgten Teilverbrennung
innerhalb del (,irbelschicht verbrannt
werden, fallen die in diesen
Abfallstoffen enthaltenen unbrennbaren Bestandteile 31, wie Steine, od. dgl., durch
die Wirbelschicht hindurch und gelangen durch die Zwischenräume zwischen den Düsenköpfen
24 und den letztere mit Strömungsmittel versorgenden Rohrleitungen 22 hindurch in
das nicht wirbelnde Bettmaterial Innerhalb der nicht wirbelnden Bettmaterialfüllung
14 sacken die unbrennbaren Bestandteile allmählich fortschreitend nach unten und
werden über die am unteren Ende des den Bunker 1 3 abschließenden Trichters 15 zusammen
mit Bettmaterial über eine Austragöffnung 16 mit der nachgeordneten Schleuse 17
abgezogen. Nach dem Absieben der Festkörperverunreinigungen kann das abgezogene
Bettmateriai erneut von oben in den Prozeß eingegeben werden, so daß im kontinuierlichen
Betrieb ein allmählicher IJmschlag des Bettmaterials stattfindet, wobei die sich
jeweils in dem nicht wirbelnden Bettmaterial ansammelndeD unbrennbaren Festkörper
ausgeschieden werden.
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Beim Betrieb eines derartiq ausgebildeten Wirbelschichtofens wird
über die Sammelleitung 20 und die damit in Strömungsverblndun stehenden Düsenköpfe
24 Strömungsmittel unter Druck in die Bettmaterialfüllung 14 eingeblasen. Bei dem
Strömungsmittel handelt es sich beispielsweise um Druckluft. Infolge dieses Anblasens
werden die über der von den Düsenköpfen 24 aufgespannten Ebene liegenden Teile des
feinkörnigen Bettmaterials angehoben und fallen nach einer aufwärts gerichteten
Vertikalbewegung angesichts der dann nachlassenden Wirkung des eingedüsten Strömungsmittels
wieder unter Schwerkraft nach unten, um dann erneut in den
intensiven
Wirkungsbereich des eingedüsten Strömungsmittels zu gelangen. Durch diese turbulenten
Bewegungen der Partikel des Bettmaterials bildet sich über der von den Düsenköpfen
aufgespannten Ebene die sog. Wirbelschicht aus.
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Die hier zunächst nicht interessierende Beschickung des Ofens mit
dem zu verbrennenden Gut erfolgt über eine die Ofenwandung im Bereich des konischen
Zwischenstücks durchbrechende Eintragöffnung 26, während die bei der Verbrennnung
anfallenden Rauchgase, und ggf. auch von letzteren mitgeführte Aschepartikel, über
eine im oberen Teil des Ofenraums 11 angeordnete Gas-Austrittsöffnung 27 abströmen.
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Bei dem in den Fig. 2 und 3 veranschaulichten Wirbelschichtofen sind
die horizontal im Bettmaterial verlaufenden Rohrleitungen 22, von denen sich die
mit Düsenköpfen 24 bestückten Rohrverzweigungen 23 schräg nach oben forterstrecken,
durch die Ofenwandung im Bereich des die Bettmaterialfüllung aufnehmenden Bunkers
13 hindurchgeführt und an eine ofenaußenseitig verlaufende Sammelleitung 20 angeschlossen.
Dieser Ofen zeigt das Verbrennen von Abfallstoffen, die mit unbrennbaren Festkörpern
versetzt sind. Bei den Abfallstoffen kann es sich beispielsweise um Baumrinde handeln,
die mit Steinen od. dgl. verunreinigt ist.
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Die Ausführungsform nach Fig. 4 unterscheidet sich von dem Wirbelschichtofen
nach Fig. 1 durch zusätzliche Einrichtungen zum Kühlen des nichtwirbelnden Teils
der BettmaterialHfüllung 14, die in einem an seinem unteren Ende durch einen Trichter
15 abgeschlossenen
Bunker 13 aufgenommen ist, der sich unter dem
eigentlichen Ofenraum 11 befindet. In der Bettmaterialfüllung 14 erstreckt sich
wiederum eine die Ofenwandung im Bereich des Bunkers 13 durchbrechende, horizontal
verlaufende Sammelleitung 20 mit nach oben gerichteten Anschlußstücken 21 zum Zuführen
von Strömungsmittel zu den rechtwinklig zur Sammelleitung 20 im Abstand voneinander
verlaufenden Rohrleitungen 22. Oberseitig erstrecken sich von diesen Rohrleitungen
22 Rohrverzweigungen 23 fort, die in im wesentlichen in einer tiorizontalebene angeordneten
Düsenköpfen 24 ausmünden und durch die das zur Erzeugung der Wirbelschicht 30 erforderliche
Strömungsmittel in das über den Düsenköpfen befindliche aVlirbel-Bettmaterial eingedüst
wird.
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Unter den Düsenköpfen und zwischen den Leitungsverbindungen 21 und
unter der Sammelleitung 20 sind in die Bettmaterialfüllung 14 nur schematisch angedeutete
Tauchheizfläche eingebettet, mittels deren dem nicht wirbelnden Bettmaterial Wärme
entzogen wird. Diese nur schematisch angedeuteten Tauchheizflächen sind ebenso wie
die Düsenköpfe und die das Rohrleitungssystem zum Zuführen des für die Aufrec terhaltung
des Wirbelbettes notwendigen Strömungsmittes Jienenden Rohrleitungen unter Ausbildung
von freien Zwischenräumen so angeordnet, daß zwischen den Tauchheizflächen 34, 35
in dem zwecks Verbrennung dem Wirbelbett zugeführten Gut enthaltene Festkörper,
wie Steine, zwischen den einzelnen Tauchheizflächen hindurch in dem nicht wirbelnden
Bettmaterial absacken können. Eine weitere Kühleinrichtung ist im Be-reich des den
Bunker 13 nach unten abschließenden Trichters in Form einer die schräg verlaufenden
Trichterwandungen
durchbrechenden Rohrleitung 36 x>rgesehen, die in vorbestimmten Abständen voneinander
mit nach oben gerichteten Austrittsdüsen 37 ausgerüstet ist und zum Eindüsen eines
Kühlmediums in das im Bereich des Trichters aufgenommene Bettmaterial dient.
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Abgesehen von der Kühlung des bei kontinuierlichem Betrieb des Ofens
infolge laufenden Abzugs von Bettmaterial über die unterseitige Austragöffnung 16
allmählich nach unten wandernden Bettmaterials, das nach dem Austragen über die
Schleuse 17 und dei Fördereinrichtung 18 durch Absieben von den sich ansammelnden
unbrennbaren Festkörpern gereinigt und dann wieder von oben in den Ofen eingegeben
wird, unterscheidet sich die Betriebsweise dieses Ofens nicht von der oben in Verbindung
mit den Fig. 2 und 3 erläuterten Betriebsweise.