DE60032629T2

DE60032629T2 - Verfahren und vorrichtung zur verbrennung von restkohlenstoffen in flugasche

Info

Publication number: DE60032629T2
Application number: DE60032629T
Authority: DE
Inventors: Paul M. Kennesaw CRAFTON; James L. Kennesaw LEWIS; William L. Maumee THOME
Original assignee: Consolidated Engineering Co Inc
Current assignee: Consolidated Engineering Co Inc
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2020-11-03
Also published as: EP1230515A1; WO2001033140A1; EP1230515B1; US20030089289A1; CA2389660A1; ES2278650T3; CA2389660C; AU2921101A; DE60032629D1; US6457425B1; ATE349653T1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Verarbeitung von Flugasche. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennen und Verringern des Restkohlenstoffs in Flugasche.
Hintergrund
Kohle ist heute immer noch einer der am umfangreichsten verwendeten Brennstoffe für die Erzeugung von Elektrizität, wobei mehrere hundert Kraftwerke in den Vereinigten Staaten allein und eine noch größere Anzahl weltweit die Kohleverbrennung verwenden, um Elektrizität zu erzeugen. Eines der Hauptnebenprodukte aus der Verbrennung von festen Brennstoffen wie z.B. Kohle ist Flugasche, die im Allgemeinen aus einem Kohlebrenner ausgeblasen wird und innerhalb des Abluftstroms, der vom Brenner stammt, enthalten ist. Es wurde festgestellt, dass Flugasche in Baumaterialanwendungen, insbesondere als Zementadditiv zur Herstellung von Beton, aufgrund der Art von Asche als Puzzolanmaterial, das nützlich ist, um Festigkeit, Konsistenz und Reißbeständigkeit zu den fertiggestellten Betonprodukten hinzuzufügen, sehr nützlich ist.
Die meiste durch Kohleverbrennung erzeugte Flugasche enthält jedoch im Allgemeinen einen signifikanten Prozentsatz an feinen, unverbrannten Kohlenstoffteilchen, die manchmal "Holzkohle" genannt werden, was die Nützlichkeit der Asche als Nebenprodukt verringert. Bevor die durch die Verbrennung von Kohle und/oder anderen festen Brennstoffen erzeugte Flugasche in den meisten Bauproduktanwendungen, wie z.B. als Zementadditiv für Beton, verwendet werden kann, muss sie verarbeitet oder behandelt werden, um die Restkohlenstoffanteile darin zu verringern. Typischerweise ist es erforderlich, dass die Asche auf nicht mehr als 1–2 Prozent Kohlenstoffgehalt oder weniger gereinigt wird, bevor sie als Zementadditiv und in anderen Bauproduktanwendungen verwendet werden kann. Wenn die Kohlenstoffanteile der Flugasche zu hoch sind, ist die Asche zur Verwendung unannehmbar. Die Flugascheproduktion in den Vereinigten Staaten für 1998 war beispielsweise oberhalb 55 Millionen Tonnen. Weniger als 20 Millionen Tonnen Flugasche wurden jedoch für Bauproduktmaterialien oder andere Zwecke verwendet. Der Kohlenstoffgehalt der Asche ist folglich ein Schlüsselfaktor, der ihre weitere Verwendung auf aktuellen Märkten und die Erweiterung ihrer Verwendung auf anderen Märkten verlangsamt.
Um den Restkohlenstoff aus Flugasche auf solche niedrige Anteile zu verringern, ist es im Allgemeinen erforderlich, den Kohlenstoff zu entzünden und aus der Fugasche zu verbrennen. Dies erfordert, dass die Flugascheteilchen mit ausreichend Temperatur, Sauerstoff und Verweilzeit in einer erhitzten Kammer versorgt werden, um zu bewirken, dass der Kohlenstoff innerhalb der Flugascheteilchen sich entzündet und verbrennt, wobei saubere Ascheteilchen belassen werden. Derzeit wurden eine Anzahl von Technologien untersucht, um zu versuchen, die Kohlenstoffverbrennung in Flugasche zu bewirken, um die Kohlenstoffanteile auf so niedrig wie möglich zu verringern. Die Hauptprobleme, denen die meisten kommerziellen Verfahren in den letzten Jahren gegenüberstanden, waren im Allgemeinen die Betriebskomplexität solcher Systeme und Wartungsprobleme, die die Verarbeitungskosten pro Tonne verarbeiteter Flugasche in manchen Fällen bis auf einen Punkt erhöht haben, an dem es wirtschaftlich nicht durchführbar ist, solche Verfahren zu verwenden.
Solche derzeitigen Systeme und Verfahren für die Kohlenstoffverringerung in Flugasche umfassen beispielsweise das im US-Patent Nr. 5 868 084 von Bachik offenbarte System, in dem die Asche in Korbfördereinrichtungen und/oder auf Netzbändern durch ein Kohlenstoffausbrennsystem befördert wird, das eine Reihe von Brennkammern umfasst. Wenn die Asche durch die Brennkammern befördert wird, wird sie erhitzt, um den Kohlenstoff darin abzubrennen. Andere bekannte Aschezuführungs- oder -fördersysteme für den Transport der Asche durch Brennkammern haben Schneckenmechanismen, Drehtrommeln und andere mechanische Transportvorrichtungen eingeschlossen. Bei den hohen Temperaturen, die typischerweise für die Ascheverarbeitung erforderlich sind, haben sich jedoch solche Mechanismen häufig als schwierig zu warten und zuverlässig zu betreiben erwiesen. Außerdem begrenzen solche Mechanismen typischerweise die Aussetzung der Kohlenstoffteilchen dem freien Sauerstoff durch Einschränken oder Halten der Asche innerhalb Körben oder auf Netzbändern, so dass die Verbrennung tatsächlich durch Diffusion durch die Asche bewirkt wird, wodurch der effektive Durchsatz durch das System verlangsamt wird. Folglich müssen die Kohlenstoffverweilzeiten innerhalb des Ofens auch in der Größenordnung von 30 Minuten und aufwärts liegen, um ein gutes Ausbrennen von Kohlenstoff zu bewirken, wobei alle diese Faktoren im Allgemeinen zu einem weniger wirksamen und kostspieligeren Prozess führen.
JP 01 304094 A richtet sich auf ein Verfahren zum Aufhellen von Flugasche. Das Verfahren offenbart einen Chargenprozess, in dem eine Menge von Flugasche unter Verwendung einer Drehspeiseeinrichtung einem Ofen zugeführt wird. Wenn der Ofen eine vorbestimmte Temperatur erreicht, wird Luft durch ein Gebläse durch einen Verteilungskasten zu einem Ofen geliefert. Der erzeugte Staub wird durch Keramikrohre gesammelt und durch die Drehspeiseeinrichtung dem Verteilungskasten zugeführt und dann zum Ofen zurückgeführt. Nach einer festgelegten Anzahl von Zyklen ist der Prozess vollendet.
Eine weitere Methode zum Erzeugen einer Kohlenstoffverbrennung in Flugasche hat eine Technologie mit brodelnder Wirbelschicht verwendet, um ein Kohlenstoffausbrennen zu bewirken, wie im US-Patent Nr. 5 160 539 von Cochran et al. offenbart. In diesem System wird die Asche in einer brodelnden Wirbelschicht angeordnet, die mit einer hohen Temperatur und Sauerstoff versorgt wird, so dass der Kohlenstoff gebrannt oder verbrannt wird, während er durch das Bett sprudelt. Diese Technologie mit brodelnder Wirbelschicht erfordert im Allgemeinen Verweilzeiten der Kohlenstoffteilchen innerhalb einer Ofenkammer für bis zu etwa 20 Minuten oder mehr. Die Rate des Kontakts der Kohlenstoffteilchen mit Oxidationsgasen in der brodelnden Wirbelschicht ist auch im Allgemeinen auf Bereiche begrenzt, in denen die Gasblasen Feststoffe berühren, so dass die Kontaktrate mit dem effektiven Gasporenvolumen in dem brodelnden Bett in Beziehung steht, das typischerweise ungefähr 55–60 Prozent (d.h. ungefähr 40–45 Volumenprozent von Feststoffen) beträgt.
Es wurde jedoch festgestellt, dass diese Systeme aufgrund von effektiven Kohlenstoffverbrennungsraten einen begrenzten Durchsatz von Asche aufweisen, wobei die erforderlichen Kohlenstoffteilchen-Verweilzeiten im Allgemeinen nahe jenen von anderen herkömmlichen Systemen liegen.
Folglich ist zu sehen, dass ein Bedarf für ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Flugasche besteht, um die Asche ausreichend von Restkohlenstoff zu reinigen, die sich diesen und anderen verwandten und nicht verwandten Problemen im Stand der Technik zuwenden.
Zusammenfassung der Erfindung
Kurz beschrieben umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein System zur Verarbeitung von Flugascheteilchen, um Restkohlenstoff innerhalb der Flugasche zu verbrennen und dessen Anteile zu verringern. Das System und Verfahren der vorliegenden Erfindung sind dazu ausgelegt, die Flugasche dem Sauerstoff und der Temperatur auf ausreichenden Pegeln und mit ausreichender Verweilzeit optimal auszusetzen, um die Verbrennung von Restkohlenstoff innerhalb der Asche zu bewirken, um die Anteile des in der Asche verbleibenden Kohlenstoffs wesentlich zu verringern.
Das Verbrennungssystem umfasst im Allgemeinen einen Reaktor mit einem Einlass- oder ersten Ende und einem zweiten Auslass- oder Ausstoßende, wobei eine Reaktorkammer innerhalb des Reaktors festgelegt ist. Die Flugasche wird anfänglich innerhalb der Reaktorkammer in einem teilchenförmigen Bett mit dichter Phase, das aus Flugascheteilchen oder einer Kombination von Flugascheteilchen und einem inerten teilchenförmigen Material besteht, aufgenommen. Typischerweise ist das inerte teilchenförmige Material ein grobes Teilchen wie z.B. Siliziumdioxid- oder Aluminiumoxidsand oder andere inerte Oxidmaterialien, die eine ausreichende Größe und Dichte aufweisen, so dass sie in dem teilchenförmigen Bett bleiben, wenn ein Luftstrom durch dieses geleitet wird. Eine Wärmequelle ist im Allgemeinen innerhalb oder um den Reaktor oder benachbart zum teilchenförmigen Bett angeordnet, um das Bett und die Reaktorkammer auf eine Temperatur zu erhitzen, die ausreicht, um den Kohlenstoff der Flugasche zu entzünden und zu verbrennen. Ferner ist im Allgemeinen eine Antriebsluftquelle benachbart zur oder mit der Wärmequelle vorgesehen, um einen erhitzen Luftstrom durch die Reaktorkammer zu liefern.
Wenn die Flugasche innerhalb des teilchenförmigen Betts Mitnahmekräften von dem erhitzen Luftstrom ausgesetzt wird, wird im Allgemeinen bewirkt, dass die Flugascheteilchen durch das teilchenförmige Bett wandern. Das teilchenförmige Bett stellt eine größere thermische Masse für den Wärmeaustausch zwischen den Flugascheteilchen bereit und hilft, eine größere Verweilzeit der Flugasche innerhalb der Reaktorkammer zu fördern, um die Zündung und Verbrennung des Restkohlenstoffs zu fördern. Die Verbrennung des Kohlenstoffs der Flugasche wird fortgesetzt, wenn die Flugascheteilchen vom teilchenförmigen Bett geleitet werden und durch einen oberen Bereich der Reaktorkammer in einer verdünnten Suspension oder Phase befördert werden, wobei sie innerhalb des erhitzen Luftstroms in Richtung des Auslasses des Reaktors mitgerissen werden. Während sie in dieser verdünnten Phase durch den oberen Bereich der Reaktorkammer befördert werden, werden die Flugascheteilchen weiter dem Sauerstoff ausgesetzt, um die Verbrennung von Kohlenstoff aus der Flugasche zu verstärken.
Die Flugascheteilchen werden danach mit dem Luftstrom an eine primäre oder Rückführungs-Ascheauffangvorrichtung ausgelassen. Die Rückführungs-Aschauffangvorrichtung ist im Allgemeinen ein Abscheider wie z.B. ein Zyklonabscheider mit einem mit dem Reaktor verbundenen Einlass, einem Luftauslass und einem Auslass an seinem entgegengesetzten Ende. Die Flugasche wird vom Luftstrom in der Ascheauffangvorrichtung getrennt, wobei die Luft typischerweise an eine sekundäre Aschauffangvorrichtung, ein Filtrationssystem oder einen anderen Stromabwärtsprozessor oder ein System zur weiteren Filtrierung oder Reinigung der Asche vom Abluftstrom ausgelassen wird. Die vom Luftstrom sowohl in der Rückführungs-Ascheauffangvorrichtung als auch der sekundären Aschauffangvorrichtung getrennte Flugasche wird im Allgemeinen zur Abgabe an einen Aschezuführungssammler gesammelt. Es ist auch möglich, eine Rohmaterialzuführung vorzusehen, die mit der Rückführungs-Ascheauffangvorrichtung verbunden ist, um rohe, unverarbeitete Flugasche in das System einzuspeisen. Alternativ kann die Rohmaterialzuführung direkt mit dem Reaktor zum Zuführen von roher, unverarbeiteter Asche direkt in das teilchenförmige Bett innerhalb der Reaktorkammer oder mit dem Aschezuführungssammler zum Vermischen oder Kombinieren mit zurückgeführter Flugasche zur Einleitung in das teilchenförmige Bett verbunden sein.
Der Aschezuführungssammler umfasst im Allgemeinen ein Sammelgefäß wie z.B. ein Standrohr oder eine andere Vorrichtung, das mit dem Auslass der Rückführungs-Ascheauffangvorrichtung und mit dem Einlass des Reaktors durch ein Einleitungsrohr oder einen Einleitungskanal verbunden ist. Der Aschezuführungssammler nimmt zurückgeführte, verarbeitete Flugasche von der Rückführungs-Ascheauffangvorrichtung und möglicherweise von der Rohmaterialzuführung in einigen Ausführungsbeispielen auf und sammelt und trägt die Flugasche in einem angesammelten Bett zusammen. Der Sammler wird typischerweise belüftet, um einen gewünschten Druck im Sammlerbett aufrechtzuerhalten, um einen Kopf von Feststoffen zur Einleitung von Flugasche in das teilchenförmige Bett zu erzeugen. Die hydrodynamische Kraft des Drucks, der innerhalb dieses Sammlerbetts wirkt, drückt die Flugascheteilchen durch das Einleitungsrohr, um eine Zuführung oder einen Strom von Flugasche zum teilchenförmigen Bett zu liefern. Wenn der Pegel von innerhalb des Sammlerbetts angesammelter Flugasche auf einen Pegel zunimmt, auf dem ihr Druck oberhalb des Gegendrucks liegt, der auf den Einleitungskanal durch das teilchenförmige Bett ausgeübt wird, wird die Flugasche folglich vom Aschezuführungssammler in das teilchenförmige Bett des Reaktors eingeleitet.
Das System der vorliegenden Erfindung stellt folglich die Rückführung der Flugasche durch das Brennersystem bereit, wie erforderlich, um Kohlenstoff von den Flugascheteilchen zu verbrennen und im Wesentlichen zu entfernen. Sobald sie ausreichend von Kohlenstoff gereinigt ist, kann die Flugasche dann aus dem Brennersystem zum Sammeln und Kühlen ausgegeben werden.
Verschiedene Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 ist eine schematische Darstellung des Brennersystems der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Darstellung eines zusätzlichen Ausführungsbeispiels des Brennersystems der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Brennersystems der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung
Mit genauerem Bezug auf die Zeichnung, in der gleiche Ziffern in den ganzen verschiedenen Ansichten gleiche Teile angeben, stellt 1 schematisch das Brennersystem 10 der vorliegenden Erfindung dar, in dem Teilchen von Flugasche F, die Restkohlenstoff enthält, für eine ausreichende Zeit Wärme und Sauerstoff ausgesetzt werden, um den Restkohlenstoff in der Flugasche zu entzünden und dessen Verbrennung zu bewirken, um den Kohlenstoff im Wesentlichen aus der Flugasche zu entfernen. Wie in 1 dargestellt, ist das Brennersystem 10 der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen ein Rückführungssystem, in dem die Asche durch einen oder mehrere Durchläufe durch das System, wie für das Sicherstellen der Entfernung von Restkohlenstoff aus der Flugasche auf ausreichend gewünschte Pegel gewünscht, verarbeitet wird. Das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung sind folglich dazu ausgelegt, die Flugasche Sauerstoff und Temperaturen auf einem ausreichenden Pegel und mit ausreichender Aussetzung oder Verweilzeit optimal auszusetzen, um die Verbrennung des Restkohlenstoffs innerhalb der Flugasche zu bewirken. Die resultierende, verarbeitete, gereinigte Flugasche umfasst im Allgemeinen wesentlich verringerte Anteile von Restkohlenstoff darin, um ein geeignetes Flugascheprodukt zur Verwendung in Baumaterialanwendungen wie z.B. Zementadditiv für die Herstellung von Beton bereitzustellen.
1–3 stellen im Allgemeinen verschiedene Ausführungsbeispiele des Brennersystems 10 der vorliegenden Erfindung zum Verbrennen und folglich Entfernen von Restkohlenstoff aus Flugascheteilchen F dar. Die Flugascheteilchen werden im Allgemeinen von einer Rohmaterialzuführung 11 in das Brennersystem zum Erhitzen und zur Verbrennung zugeführt, wobei die Zuführung oder Einleitung von Flugascheteilchen in einer im Wesentlichen kontinuierlichen Weise oder in einem Prozess vom Chargentyp, in dem Ladungen oder Chargen von Flugasche in das System zur Verarbeitung eingeleitet werden, durchgeführt werden kann. Wie in 1–3 gezeigt, umfasst das Brennersystem 10 im Allgemeinen einen lang gestreckten Reaktor 12, in dem die Flugasche auf eine Verbrennungstemperatur von ungefähr 426 °C bis 982 °C (800 °F bis 1800 °F) für eine Kohlenstoffausbrennentfernung aus dieser erhitzt wird. Der Reaktor 12 ist typischerweise ein Steigreaktor für eine verdünnte Phase, der einen lang gestreckten Körper 13 umfasst, der rechteckig oder zylindrisch sein kann, und der typischerweise vertikal orientiert ist, obwohl er in anderen Anordnungen, Konfigurationen und/oder Orientierungen konstruiert sein könnte, wie erwünscht.
Der Reaktor 12 umfasst im Allgemeinen mindestens eine Seitenwand 14, ein erstes oder Einlassende 16 und ein zweites Auslass- oder Ausstoßende 17. Die Seitenwand 14 des Reaktors umfasst im Allgemeinen einen Außenwandteil 18, der typischerweise aus einem wärmebeständigen Material mit hoher Festigkeit wie z.B. Stahl, Metalllegierungen oder dergleichen gebildet ist, und eine innere Schicht oder Wand 19, die im Allgemeinen aus einem feuerfesten Material wie z.B. Ziegelstein oder einem Keramikmaterial gebildet ist. Die innere Schicht könnte folglich Metall oder ein Betonmaterial mit einer aufgesprühten Keramikbeschichtung wie z.B. Aluminiumsilikat oder einem ähnlichen Beschichtungsmaterial umfassen. Ferner kann der Reaktor eine zweite Innenwand umfassen, die durch Durchsichtlinien 20 in 2 angegeben ist und die von der ersten Innenwand durch einen ausreichenden Raum getrennt ist, um verschiedene Verfahren zum Wärmeaufbringen auf die zweite Innenwand zu ermöglichen, der üblicherweise als Retorte bekannt ist. Diese Retorte wäre typischerweise aus einem wärmebeständigen Material wie z.B. Nickellegierungsstahl oder einem anderen ähnlichen Material gebildet. Die Seitenwand des Reaktorkörpers legt folglich eine isolierte Reaktorkammer 21 fest, durch die die Flugasche F zur Verarbeitung befördert wird. Während der Verarbeitung in der Reaktorkammer wird die Flugasche Temperaturen ausgesetzt, die im Allgemeinen bei oder über den Verbrennungstemperaturen des Restkohlenstoffs innerhalb der Flugasche oder typischerweise zwischen ungefähr 426 °C und 982 °C (800 °F und 1800 °F) liegen.
Die Abmessungen des Reaktors 12 und seiner Reaktorkammer 21 können nach Wunsch oder Bedarf verändert werden, um die Größeneinschränkungen einer Anlage zu erfüllen, in der ein Brennersystem 10 der vorliegenden Erfindung installiert ist, oder wie ansonsten erwünscht oder erforderlich. Die Größe des Reaktors beeinflusst im Allgemeinen die Verweilzeit der Flugascheteilchen innerhalb des Reaktors, d.h. wenn die Größe der Reaktorkammer verringert wird, wird die Verweilzeit der Flugascheteilchen innerhalb der Reaktorkammer ebenso verringert. Die Fähigkeit der vorliegenden Erfindung, die Flugascheteilchen ohne einen signifikanten Abfall von deren Temperatur zurückzuführen, ermöglicht jedoch, dass die Größe der Reaktorkammer und des Reaktors nach Bedarf verändert wird, ohne den Durchsatz des Systems wesentlich zu vermindern, da das System dazu ausgelegt ist, die Flugasche in im Wesentlichen einem Durchlauf durch dieses zu verarbeiten oder die Rückführung der Asche für mehrere Durchläufe durch die Reaktorkammer zu ermöglichen, um die erforderliche Verweilzeit der Flugasche auf oder über den Verbrennungstemperaturen des Restkohlenstoffes darin zum Verbrennen und Abbrennen des Kohlenstoffs zu erhalten. Die Anzahl von Durchläufen der zurückgeführten Asche durch das System ist typischerweise 2 bis 10, obwohl mehr oder weniger Durchläufe verwendet werden können, wie erforderlich, um ein gewünschtes Niveau von Kohlenstoffausbrennen zu erreichen.
Wie in 1–3 dargestellt, ist ein Einleitungskanal oder -rohr 22 mit dem Reaktor 12 benachbart zu seinem Einlass- oder ersten Ende 16 verbunden. Der Einleitungskanal 22 ist im Allgemeinen ein Rohr oder eine Verlängerungszweigleitung, die mit der Reaktorkammer 21 für die Einleitung oder Leitung von Flugascheteilchen F in die Reaktorkammer 21 in offener Verbindung steht. Am entgegengesetzten Ende der Reaktorkammer 21 ist ein Auslass- oder Ausstoßkanal 23 in offener Fluidverbindung mit der Reaktorkammer verbunden und erstreckt sich vom Reaktor weg, um einen Abluftstrom, der durch Pfeile 24 angegeben ist und der typischerweise verarbeitete Flugascheteilchen in einer verdünnten Phase oder Suspension innerhalb eines erhitzen Luftstroms enthält, aus der Reaktorkammer auszulassen. Außerdem umfasst die Reaktorkammer 21 typischerweise einen Bereich 27 in dichter Phase, der sich benachbart zum unteren oder Einlassende 16 des Reaktors 12 befindet, und einen Bereich 28 in verdünnter Phase, der sich vom Bereich in dichter Phase weg in Richtung des Auslassendes 17 des Reaktors erstreckt.
Eine Wärmequelle 30 ist im Allgemeinen am ersten oder Einlassende 16 des Reaktors 12, im Allgemeinen am unteren Ende der Reaktorkammer benachbart zu deren Bereich 27 in dichter Phase, vorgesehen. Die Wärmequelle 30 umfasst typischerweise einen Gasbrenner 31 oder eine ähnliche Heizvorrichtung, die direkt in der Reaktorkammer gebrannt wird, wie in 1–3 dargestellt. Der Brenner 31 ist im Allgemeinen ferner mit einem Wärmetauscher 32 und mit einer Antriebsluftquelle 33, die aus dem Wärmetauscher ausströmt, verbunden. Die Antriebsluftquelle 33 ist typischerweise ein Gebläse, einen Ventilator oder eine ähnliche Vorrichtung, wie bei 34 angegeben, die einen Luftstrom von einer äußeren Quelle durch einen Lufteinlass 36 einsaugt und einen Luftstrom, der durch den Pfeil 37 angegeben ist, zum Wärmetauscher 32 liefert. Der Wärmetauscher kann typischerweise einen Abluftstrom von erhitzter, gereinigter Luft empfangen, wie durch Pfeile 38 angegeben, der ebenso durch den Wärmetauscher geleitet wird, um den Luftstrom 37, der von der Antriebsluftquelle 33 zur Reaktorkammer geliefert wird, vorzuheizen. Fachleute werden verstehen, dass verschiedene Wärmequellen direkt oder indirekt auf den Reaktor angewendet werden können, entweder innerhalb der Kammer oder außerhalb, wie z.B. durch einen Kanal 39 zum Erhitzen einer inneren Retortenwand 20 (2), wobei somit Wärme zum ganzen Reaktor geliefert wird.
Außerdem ist für Fachleute auch verständlich, dass die Antriebsluftquelle direkt mit der Brennstoffleitung für den in 1 dargestellten Gasbrenner verbunden sein kann, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch zum Erhitzen des Luftstroms zu erzeugen, und dass der Wärmetauscher direkt in die Reaktorkammer integriert sein könnte, um den erhitzten Luftstrom zu liefern. Es ist auch verständlich, dass andere Arten von Heizanordnungen wie z.B. die Verwendung von elektrischen oder anderen Arten von Brennstoff verbrennenden Heizvorrichtungen verwendet werden können, um den Luftstrom zu erhitzen und die Temperatur der Reaktorkammer auf einen Pegel zu erhöhen, der ausreicht, um die Verbrennung des Restkohlenstoffs innerhalb der Flugascheteilchen einzuleiten oder zu verursachen. Ferner ist es möglich, die Flugasche mit einem Brennstoff/Luft-Gemisch für die direkte Verbrennung der Asche innerhalb der Reaktorkammer zu vermischen. Der erhitzte Luftstrom 37 wird in die und entlang der Reaktorkammer mit Geschwindigkeiten gelenkt, die im Bereich von ungefähr 122 cm/s (4 ft./s) bis ungefähr 1524 cm/s (50 ft./s) und im Allgemeinen 198 cm/s bis 610 cm/s (6,5 ft./s bis 20 ft./s) liegen, um die Flugascheteilchen in einem turbulenten Luftstrom zu erhitzen und vom Bereich 27 in dichter Phase durch den Bereich 28 in verdünnter Phase der Reaktorkammer 21 zum Auslassende 17 des Reaktors zu befördern.
In jedem der in 1–3 gezeigten Ausführungsbeispiele ist ein teilchenförmiges Bett 40 innerhalb des Bereichs 27 in dichter Phase der Reaktorkammer 21 gebildet oder zusammengetragen, das typischerweise auf einem Sieb, einem perforierten Träger oder einer anderen Art von Luftverteiler 41 getragen wird, der ermöglicht, dass der erhitzte Luftstrom 37 durch dieses strömt, um das teilchenförmige Bett 40 zu kontaktieren und sich durch dieses zu bewegen. Das teilchenförmige Bett 40 umfasst im Allgemeinen zumindest Flugascheteilchen in ihrer dichten Phase, kann jedoch auch eine dichte Phase eines inerten, groben teilchenförmigen Materials in Kombination mit den Flugascheteilchen in dichter Phase umfassen. Das grobe teilchenförmige Material, das bei 42 angegeben ist, umfasst typischerweise ein Sandmaterial, wie z.B. Siliziumdioxid- oder Aluminiumoxidsand oder andere inerte Oxidmaterialien. Diese grobe Teilchen weisen typischerweise eine Größe auf, die größer ist als die Mehrheit der meisten Flugascheteilchen, die typischerweise in der Größenordnung von 50–100 Mikrometer liegen. Die groben Teilchen können beispielsweise innerhalb eines Bereichs von 0,85 mm bis 6 mm im Durchmesser (obwohl größere und kleinere Größen verwendet werden können, wie erwünscht) mit einer ausreichenden Masse liegen, so dass die groben Materialien eine Transportgeschwindigkeit nicht erreichen, wenn der Luftstrom 37 hindurchströmt.
Die Größe des teilchenförmigen Betts kann auch in Abhängigkeit davon verändert werden, wie in 1–3 gezeigt, ob und wie viel grobes teilchenförmiges Material im teilchenförmigen Bett verwendet wird, sowie von der gewünschten Größe des Betts in Bezug auf den Bereich der Reaktorkammer in verdünnter Phase. Wenn beispielsweise das teilchenförmige Bett nur aus Flugascheteilchen in ihrer dichten Phase besteht, kann das Bett im Bereich von ungefähr 1,5–2 Metern liegen, obwohl größere oder geringere Größen auch verwendet werden können, um ein Bett mit ausreichender Masse zu bilden, so dass das ganze Bett nicht fluidisiert, wenn der erhitzte Luftstrom durch dieses geleitet wird. Wenn eine Kombination von Flugascheteilchen und groben teilchenförmigen Materialien verwendet wird, kann die Größe des Betts typischerweise beispielsweise auf ungefähr 0,5–1,5 Meter verringert werden, da die Masse des groben teilchenförmigen Materials eine größere Dichte für das teilchenförmige Bett vorsieht, so dass es weniger wahrscheinlich eine Transportgeschwindigkeit erreicht und vom teilchenförmigen Bett mit dem Durchgang des erhitzen Luftstroms durch dieses weggeblasen oder weggetragen wird.
Das teilchenförmige Bett stellt auch eine ausreichende thermische Masse bereit, um einen Wärmeaustausch zwischen den Teilchen des Betts, einschließlich zwischen den Flugascheteilchen und den groben teilchenförmigen Materialien, bereitzustellen, um die Erhitzung der Flugascheteilchen auf ihre Verbrennungstemperatur zu verbessern, und verbessert ferner die Teilchenverweilzeit in der Reaktorkammer. Das teilchenförmige Bett stellt auch eine leicht hergestellte dichte Phase von Flugasche für das Anfahren und Abschalten des Reaktors bereit, ebenso wie es die Vermischung der Flugascheteilchen verbessert, was wiederum helfen kann, die Agglomerationseffekte der Asche zu minimieren, insbesondere wenn die Flugasche, die in das System eingeleitet wird, geringfügig feucht oder nass ist. Das teilchenförmige Bett ermöglicht ferner eine Verringerung der Größe des Reaktors selbst durch Fördern einer zusätzlichen Verweilzeit und eines zusätzlichen Wärmeaustauschs für die Flugasche innerhalb des Reaktors.
Wenn die Flugascheteilchen dem erhitzen Luftstrom 37 ausgesetzt werden, der durch die Reaktorkammer gelenkt wird, werden sie innerhalb des teilchenförmigen Betts fluidisiert und wandern gewöhnlich durch das teilchenförmige Bett, während sie auf ihre Verbrennungstemperatur erhitzt werden. Anschließend, wenn die Flugascheteilchen aus dem teilchenförmigen Bett freigegeben werden, werden sie innerhalb den erhitzen Luftstrom in einer verdünnten Suspension eingeschränkt, so dass sie in einer verdünnten Phase durch den Bereich in verdünnter Phase der Reaktorkammer in Richtung des Auslasses und aus dem Reaktor befördert werden. Während die Flugascheteilchen innerhalb des Luftstroms durch den Bereich in verdünnter Phase der Reaktorkammer befördert werden, erfahren die Teilchen eine Turbulenz und sich ändernde Bahnen innerhalb des Luftstroms, was ein verstärktes Aussetzen der Flugascheteilchen dem Sauerstoff innerhalb des Bereichs in verdünnter Phase der Reaktorkammer fördert, so dass die Verbrennung des Restkohlenstoffs innerhalb der Flugascheteilchen weiter gefördert wird. Die verarbeiteten, verbrannten Flugascheteilchen werden anschließend aus der Reaktorkammer 21 durch die Auslasskammer 23 an eine Rückführungs- oder primäre Ascheauffangvorrichtung 45 ausgelassen.
Die Ascheauffangvorrichtung 45, die mit der Reaktorkammer verbunden ist, dient typischerweise als primäre oder Rückführungs-Ascheauffangvorrichtung zum Aufnehmen eines ausgelassenen Luftstroms, der durch Pfeile 46 angegeben ist, von der Reaktorkammer, der Flugascheteilchen F in einer verdünnten Phase enthält, die innerhalb eines erhitzen Luftstroms suspendiert sind. Die Ascheauffangvorrichtung 45 ist im Allgemeinen ein Zyklonabscheider, eine Ausfallkammer oder eine ähnliche Filtrationskammer oder ein ähnliches System, wie auf dem Fachgebiet erkannt wird, für die Trennung von Teilchen von einem Luftstrom. Die Ascheauffangvorrichtung 45 umfasst im Allgemeinen einen Körper 47, der typischerweise aus Stahl oder einem ähnlichen Material mit hoher Festigkeit gebildet ist, das in der Lage ist, hohen Temperaturen standzuhalten, und weist eine isolierte Seitenwand oder isolierte Seitenwände 48, einen mit dem Auslasskanal 23 verbundenen Einlass 49 zum Aufnehmen des Abluftstroms 24 durch diesen und einen Auslass 51 benachbart zum unteren Ende des Körpers 47, durch den die innerhalb der Ascheauffangvorrichtung 45 aufgefangenen gesammelten Teilchen aus der Ascheauffangvorrichtung freigegeben werden, auf. Wie in 1–3 gezeigt, umfasst die Ascheauffangvorrichtung 45 im Allgemeinen einen oberen im Wesentlichen geraden Teil 52 und einen verjüngten unteren Teil 53, der sich vom oberen Teil in Richtung des Auslasses 51 verjüngt. Die Seitenwand 48 umfasst ferner im Allgemeinen eine feuerfeste Schicht 54, die im Allgemeinen aus einem feuerfesten Ziegelstein oder einer aufgesprühten Keramikbeschichtung wie z.B. einer Aluminiumsilikat- oder ähnlichen gegen hohe Temperaturen beständigen Beschichtung gebildet ist. Die Seitenwand legt eine Abscheiderkammer 56 fest, die sich verjüngt, wenn sie sich dem Auslassende der Ascheauffangvorrichtung 45 nähert, so dass, wenn die Flugascheteilchen F vom Abluftstrom 24 getrennt werden, sie sich gewöhnlich ansammeln und in Richtung des Auslasses 51 geführt werden, um die gesammelten Flugascheteilchen aus der Ascheauffangvorrichtung auszugeben oder zu entfernen.
Die Ascheauffangvorrichtung 45 umfasst ferner typischerweise einen Auslass 57, der typischerweise ein Kanal oder ein Rohr 58 mit einem ersten oder proximalen Ende 59, das nach unten in die Abscheiderkammer 56 der Ascheauffangvorrichtung 45 bis zu einem Punkt typischerweise unter dem Punkt, an dem der Auslasskanal 23 von der Reaktorkammer 21 in die Abscheiderkammer 56 der Ascheauffangvorrichtung eintritt, vorsteht, wie in 1–3 angegeben, und einem zweiten oder distalen Ende 61 in offener Verbindung mit einer sekundären Ascheauffangvorrichtung 62 ist. Wenn Flugascheteilchen vom Abluftstrom 24 von der Reaktorkammer 21 getrennt werden und sich die Flugascheteilchen innerhalb der Abscheiderkammer 56 ansammeln, wird der Luftstrom, wie durch den Pfeil 63 angegeben, durch den Auslass 57 und in die sekundäre Ascheauffangvorrichtung 62 ausgelassen.
Die sekundäre Ascheauffangvorrichtung 62 umfasst im Allgemeinen eine ähnliche Konstruktion zur primären oder Rückführungs-Ascheauffangvorrichtung 45, wobei sie im Allgemeinen einen Zyklonabscheider, eine Ausfallkammer oder eine andere Filtrationskammer oder ein anderes System umfasst, in dem der gereinigte, ausgelassene Luftstrom 63 weiter einer Trennung unterzogen wird, um restliche Flugascheteilchen von diesem zu trennen Die sekundäre Ascheauffangvorrichtung umfasst einen Körper 64 mit einer isolierten Seitenwand 66, die typischerweise mit einer inneren feuerfesten Auskleidung oder Beschichtung 67 überzogen ist. Die sekundäre Ascheauffangvorrichtung umfasst ferner ein Einlass- oder erstes Ende 68, ein Auslass- oder zweites Ende 69 und einen oberen und einen unteren Teil 71 und 72, um eine innere Kammer 73 festzulegen. Wie bei der Ascheauffangvorrichtung 45 verjüngt sich der untere Teil 72 der sekundären Ascheauffangvorrichtung 62 nach innen in Richtung des Auslasses 69, so dass gesammelte Ascheteilchen nach unten in Richtung des Auslasses für die Entfernung gerichtet werden. Außerdem ist ein Auslass 74 im Allgemeinen am oberen Ende der sekundären Ascheauffangvorrichtung ausgebildet und umfasst einen Auslasskanal 76 oder ein Rohr, das sich von der sekundären Ascheauffangvorrichtung wegerstreckt. Der Auslasskanal kann mit einem weiteren Filtrationssystem zur Entfernung eines Abluftstroms, der durch den Pfeil 77 angegeben ist, zur weiteren Verarbeitung oder Reinigung verbunden sein. Alternativ kann der Luftstrom 77 zum Wärmetauscher 32 als Teil des Luftstroms 38 zum Vorheizen des Luftstroms 37, der zum Reaktor 12 geliefert wird, zurückgeleitet werden, wie in 1–3 gezeigt.
Wie in 1–3 gezeigt, sind in jedem der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung der Auslass 51 von der primären Ascheauffangvorrichtung 45 und typischerweise der Auslass 69 von der sekundären Ascheauffangvorrichtung 62 mit einem Aschezuführungssammler 80 verbunden. Wie in 1 gezeigt, kann der Auslass der primären Ascheauffangvorrichtung direkt mit dem Aschezuführungssammler 80 verbinden oder er kann mit einem Auslassrohr oder -kanal 81 zum Zuführen der Flugasche in den Aschezuführungssammler 80 verbunden sein, wie in 2 und 3 angegeben. Außerdem ist der Auslass 69 der sekundären Ascheauffangvorrichtung 62 im Allgemeinen mit einem Speiserohr oder -kanal 82 verbunden, das/der mit dem Aschezuführungssammler 80 zum Liefern und Zuführen von Asche, die in der sekundären Ascheauffangvorrichtung gesammelt wird, zum Aschezuführungssammler verbindet.
Der Aschezuführungssammler umfasst im Allgemeinen ein Standrohr 85 (1), das typischerweise eine vertikal orientierte Säule oder ein vertikal orientiertes Rohr mit einem Körper 86 mit einer Seitenwand oder Seitenwänden 87, der typischerweise aus Stahl oder einem ähnlichen Material mit hoher Festigkeit und hoher Temperaturbeständigkeit gebildet ist und eine feuerfeste innere Auskleidung oder Beschichtung 88 aufweist, ist. Das Standrohr 85 umfasst ferner im Allgemeinen ein Einlass- oder oberes Ende 89, mit dem der Auslass zumindest der primären Ascheauffangvorrichtung 45 verbunden ist und in Verbindung steht, und ein Auslass- oder unteres Ende 91, das mit dem Einleitungskanal 22 verbindet. Der Körper 86 des Aschezuführungssammlers legt folglich im Allgemeinen eine Sammlerkammer 92 fest, in der zurückgeführte, verarbeitete Asche gesammelt wird.
Wie in den in 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen gezeigt, kann der Aschezuführungssammler 80 alternativ als Sammelgefäß oder -kasten 95 mit einem Körper 96 mit einer Reihe von Seitenwänden 97 und oberen und unteren Wänden 98 und 99 gebildet sein. Die Auslass- und Zuführungsrohre 81 und 82 der primären und der sekundären Ascheauffangvorrichtungen 45 bzw. 62 verbinden mit der und erstrecken sich durch die obere Wand 98 des Sammelgefäßes 95, wie in den Ausführungsbeispielen von 2 und 3 gezeigt, um gesammelte Asche zu einer darin festgelegten Sammlerkammer 101 zu liefern.
In jedem der in 1–3 dargestellten Ausführungsbeispiele wird ein angesammeltes Bett von Flugasche 105 in der Sammlerkammer 92 (1) oder 101 (2 und 3) des Aschezuführungssammlers 80 gesammelt und gebildet, mit Zurückführung oder Wiedereinleitung in das teilchenförmige Bett 40 des Reaktors 12. Das angesammelte Bett 105 wird im Allgemeinen bis auf eine Höhe gebildet, die ausreicht, um einen Kopf von Feststoffen für die Einleitung in das teilchenförmige Bett zu bilden. Wie in 1–3 gezeigt, erstreckt sich der Einleitungskanal 22 zwischen dem Aschezuführungssammler und dem Reaktor und umfasst im Allgemeinen ein erstes oder Einlassende 107, das mit der Sammlerkammer 92 (1) oder 101 (2 und 3) des Aschezuführungssammlers 80 in Verbindung steht, und ein zweites Einleitungs- oder Auslassende 108, das mit der Reaktorkammer 21 des Reaktors 12 ungefähr auf der Höhe des teilchenförmigen Betts 40 in offener Verbindung steht. Die Asche vom angesammelten Bett wird folglich durch den Einleitungskanal und in das teilchenförmige Bett 40 der Reaktorkammer für die Rückführung der Asche durch den Reaktor, wie gewünscht oder erforderlich, um deren Verarbeitung zu vollenden, geleitet.
Das angesammelte Bett bildet ferner einen Kopf von Feststoffen für die Einleitung in das teilchenförmige Bett. Dieser Kopf von Feststoffen bildet sich im Allgemeinen auf einer Höhe und mit einer ausreichenden Masse, um einen Druck innerhalb der Sammlerkammer zu erzeugen, der die Flugasche vom angesammelten Bett in und durch die Einleitungsleitung für die Einleitung in das teilchenförmige Bett der Reaktionskammer drückt. Wenn die hydrodynamischen Kräfte des Drucks, der auf das angesammelte Bett wirkt, den Gegendruck übersteigt, der auf den Einleitungskanal durch die Masse des teilchenförmigen Betts der Reaktorkammer ausgeübt wird, und wenn der Pegel des teilchenförmigen Betts aufgrund der Wanderung von Flugasche in den Bereich in verdünnter Phase der Reaktorkammer fällt, wird die Flugasche vom angesammelten Bett durch die Einleitungsleitung gedrückt und wird in das teilchenförmige Bett eingeleitet. Die Steuerung dieses Drucks des angesammelten Betts ermöglicht folglich die Steuerung der Einleitung der Flugasche in das teilchenförmige Bett mit gewünschten, relativ gleichmäßigen Raten. Die Einleitungsraten für die Flugascheteilchen vom angesammelten Bett hängen im Allgemeinen vom Kohlenstoffgehalt der Flugasche, vom gewünschten Ausgangskohlenstoffanteil, von den allgemeinen Eigenschaften der Asche hinsichtlich der Teilchengröße, Zusammensetzung und Kohlenstoffreaktivität sowie von der Zusammensetzung des teilchenförmigen Betts und der Geschwindigkeit des erhitzen Luftstroms, der durch dieses geleitet wird, ab. Für ein System, das beispielsweise ungefähr 4536 kg (10000 Ibs) pro Stunde an Flugasche verarbeitet, könnten die Einleitungsraten im Bereich von ungefähr 1,4 kg (3 Ibs) pro Sekunde bis 13,6 kg (30 Ibs) pro Sekunde oder mehr liegen. Außerdem beeinflussen die Anzahl von Durchgängen der Flugasche durch das Brennersystem und die Teilchenverweilzeit innerhalb des Systems die Einleitungsraten weiter.
Wie in 1–3 gezeigt, ist ein Thermoelement oder ein ähnlicher Temperatursensor 111 im Allgemeinen innerhalb des angesammelten Betts 105 des Aschezuführungssammlers 80 zur Überwachung der Temperatur des angesammelten Betts montiert. Der Temperatursensor 111 ist im Allgemeinen mit einer Computersteuerung (nicht dargestellt) für das Brennersystem verbunden, die die Verarbeitung der Flugasche durch das Brennersystem überwacht und steuert. Falls erforderlich, wie in 3 angegeben, kann eine Zusatzheizvorrichtung 112 ferner innerhalb der Sammlerkammer 101 montiert sein und kann durch das Computersteuersystem in Reaktion auf die Temperaturmesswerte des Sensors 111 in Anspruch genommen und gesteuert werden, um das angesammelte Bett von Flugasche weiter zu erhitzen und auf einer ausreichenden gewünschten Temperatur für die Wiedereinleitung in das teilchenförmige Bett des Reaktors zu halten.
Außerdem kann das angesammelte Bett mit einer Quelle für vorgeheizte Luft von der Antriebsluftquelle 33 belüftet werden, die in das untere angesammelte Bett 105 eingeleitet werden kann, wie im Ausführungsbeispiel von 1 gezeigt, oder ein solcher Luftstrom kann direkt in die Einleitungsleitung 106 eingeleitet werden, die sich zwischen der Sammlerkammer 101 (2 und 3) und der Reaktorkammer 21 erstreckt. Typischerweise wird dieser erhitzte Belüftungsluftstrom, der durch Pfeile 115 angegeben ist, durch Lufteinleitungsleitungen 116 geliefert, die mit der Hauptluftstromleitung oder dem Hauptluftstromkanal verbunden sind, der zur Reaktorkammer führt und im Allgemeinen eine Reihe von manuell oder elektronisch betätigten und gesteuerten Ventilen 117 umfasst, die typischerweise durch den Computer (nicht dargestellt) des Brennersystems gesteuert werden. Der Belüftungsluftstrom hilft weiter, die Einleitung der Flugascheteilchen vom angesammelten Bett durch den Einleitungskanal und in das teilchenförmige Bett zu steuern, um zusätzlich zu helfen, die Agglomeration der Teilchen zu verhindern, wenn sie in das teilchenförmige Bett eintreten. Drucksensoren 118 sind ferner im Allgemeinen innerhalb der Sammlerkammer montiert, um den Druck des angesammelten Betts zu überwachen. Außerdem ist im Allgemeinen ein Einleitungskanal-Steuerventil 119 entlang des Einleitungskanals zwischen dem Aschezuführungssammler und dem Reaktor montiert, um die Einleitung von Asche vom angesammelten Bett in das teilchenförmige Bett weiter zu steuern. Das Steuerventil 119 ist im Allgemeinen ein elektronisch betätigtes Ventil, das durch die Computersteuerung des Brennersystems gesteuert wird, um den tatsächlichen Strom von Teilchen durch die Einleitungsleitung zu steuern.
Wie in 1–3 angegeben, dient ein Aschefreigabe- oder -transportkanal 120 zur Entfernung der verarbeiteten Asche aus dem Brennersystem zum Kühlen und Sammeln. Wie in 2 und 3 gezeigt, können Kaltluft-Versorgungsleitungen 121 mit dem Aschefreigabekanal 120 und mit der Hauptluftstromleitung benachbart zur Antriebsluftquelle 33 verbunden sein, um einen Strom von kalter Luft, der durch Pfeile 122 angegeben ist, durch den Aschefreigabekanal 120 zuzuführen. Diese Kaltluftbelüftung erzeugt gewöhnlich einen Sog oder einen Luftunterdruck im Aschefreigabekanal, um die Asche für die Entfernung des angesammelten, verarbeiteten Betts von Asche durch diesen zu saugen, während der Abkühlungsprozess für die Asche begonnen wird, die zur Verarbeitung und Sammlung vom Brennersystem 10 weg entfernt werden kann.
Wie zusätzlich in 1–3 gezeigt, umfasst die Rohrmaterialzuführung 11 im Allgemeinen einen Kanal oder eine Speiseleitung 125, die typischerweise mit einem Trichter (nicht dargestellt) oder einer anderen Zuführungsquelle für die Flugasche verbunden ist und mit verschiedenen Komponenten des Brennersystems 10 verbunden sein kann, um die Flugasche an verschiedenen Punkten während des Verbrennungsprozesses zuzuführen. Wie in 1 gezeigt, kann der Kanal 125 der Rohmaterialzuführung 11 beispielsweise in die Reaktorkammer 21 ausgedehnt sein, wobei er innerhalb des teilchenförmigen Betts 40 endet. Typischerweise wird die Asche durch den Kanal der Rohrmaterialzuführung in das teilchenförmige Bett gedrückt oder eingeleitet, um zu bewirken, dass sich die Asche durch das teilchenförmige Bett für die Verarbeitung ausbreitet und diffundiert. Alternativ kann die Rohmaterialzuführung 11, wie in 2 gezeigt, mit der primären Ascheauffangvorrichtung 45 benachbart zu deren Einlassende 49 verbunden sein, so dass die eingehende Flugasche von der Rohmaterialzuführung mit der verarbeiteten Asche, die aus der Reaktorkammer ausgelassen wird, vermischt wird, um eine gewisse Wärmeübertragung zwischen der ausgelassenen und der eingehenden Asche zu verleihen, wenn die Flugascheteilchen miteinander vermischt werden. In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel, das in 3 dargestellt ist, kann die Rohmaterialzuführung direkt mit dem Aschezuführungssammler 80 verbunden sein, wobei sich der Kanal davon in die Kammer des Aschezuführungssammlers und in das angesammelte Bett für die Einleitung von rohen, unverarbeiteten Flugascheteilchen in das angesammelte Bett zum Mischen mit und Vorheizen der Flugascheteilchen vor der Einleitung in das teilchenförmige Bett der Reaktorkammer erstreckt.
Im Betrieb des Brennersystems 10 werden unverarbeitete, Kohlenstoff enthaltende Flugascheteilchen F im Allgemeinen anfänglich innerhalb eines teilchenförmigen Betts 40, das innerhalb der Reaktorkammer 21 des Reaktors 12 gebildet ist, gesammelt. Ein erhitzter Antriebsluftstrom wird dann im Allgemeinen auf und durch das teilchenförmige Bett gerichtet. Der erhitzte Luftstrom 38 erhitzt im Allgemeinen die Reaktorkammer auf ungefähr 426 °C (800 °F) bis ungefähr 982 °C (1800 °F), was im Allgemeinen über den typischen Kohlenstoffverbrennungstemperaturen für den meisten Restkohlenstoff innerhalb der Flugascheteilchen liegt. Der erhitzte Luftstrom wird im Allgemeinen mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 122 cm/s (4 ft./s) bis zu ungefähr 1524 cm/s (50 ft./s) durch das teilchenförmige Bett geleitet, obwohl größere oder kleinere Luftströme in Abhängigkeit von der Größe der verbrannten Flugascheteilchen und ihrer Kohlenstoffreaktivität verwendet werden können. Wenn der erhitzte Luftstrom 37 durch das teilchenförmige Bett strömt, bewirkt er, dass die Flugascheteilchen auf eine Temperatur erhitzt werden, die im Allgemeinen ausreicht, um den Restkohlenstoff darin zu entzünden und dessen Verbrennung zu beginnen, wobei die Erhitzung der Flugascheteilchen durch den Wärmeaustausch zwischen den Teilchen des teilchenförmigen Betts 40 weiter verbessert wird.
Wenn die erhitzen Flugascheteilchen aus dem teilchenförmigen Bett bewegt werden, werden sie vom teilchenförmigen Bett weg und durch einen Bereich in verdünnter Phase der Reaktorkammer getragen, wobei sie in einer verdünnten Suspension innerhalb des erhitzen Luftstroms eingeschränkt werden, wenn er durch den oberen Bereich oder Bereich in verdünnter Phase der Reaktorkammer in Richtung von deren Auslassende 17 strömt. Die Beförderung der Flugascheteilchen in verdünnter Phase verbessert gewöhnlich im Allgemeinen das Aussetzen der erhitzen Flugascheteilchen dem Sauerstoff, wenn die Flugascheteilchen einer Turbulenz innerhalb des Luftstroms ausgesetzt werden. Diese verbesserte Aussetzung dem Sauerstoff fördert weiter die erhöhte Verbrennung von Kohlenstoff innerhalb der Flugascheteilchen. Anschließend wird der ausgelassene Luftstrom 24 in eine Ascheauffangvorrichtung 45 bewegt, in der die Flugascheteilchen vom Abluftstrom getrennt werden, der anschließend einer sekundären Ascheauffangvorrichtung 62 zugeführt wird, um weiter restliche Asche vom Luftstrom zu trennen.
Die gesammelte Asche von der primären und der sekundären Ascheauffangvorrichtung wird dann einem Aschezuführungssammler 80 zugeführt, wo sie in einem angesammelten Bett 105 gesammelt wird. Das angesammelte Bett 105 leitet einen Storm von Flugascheteilchen wieder in das teilchenförmige Bett ein, wenn der Druck, der auf das angesammelte Bett wirkt, den Gegendruck übersteigt, der durch das teilchenförmige Bett innerhalb der Reaktorkammer auf den Einleitungskanal ausgeübt wird, wenn die Asche während des Betriebs der Reaktorkammer aus dem teilchenförmigen Bett geleitet und von diesem weg befördert wird. Folglich liefert das angesammelte Bett eine relativ konstante Strömung von Flugascheteilchen zum teilchenförmigen Bett mit einer steuerbaren Durchflussrate, um einen gewünschten Durchsatz für die Rückführung der Flugascheteilchen durch das Brennersystem aufrechtzuerhalten, wie für die Verringerung des Restkohlenstoffanteils der Flugasche auf unterhalb gewünschte Pegel gewünscht und/oder erforderlich.
Das Brennersystem der vorliegenden Erfindung ermöglicht folglich die Verarbeitung von Flugasche in einem oder mehreren Durchläufen, typischerweise zwischen 2 und 10 Durchläufen, durch das System für die effiziente Ausbrennung von Kohlenstoff innerhalb der Flugasche auf gewünschte Pegel von nicht höher als 2 % oder weniger. In Abhängigkeit von den allgemeinen Eigenschaften der Asche, wie z.B. Teilchengröße, Zusammensetzung, Kohlenstoffreaktivität, Anzahl von Durchläufen durch das System und den verwendeten Steuertemperaturen, liegt im Allgemeinen die gesamte Teilchenverweilzeit innerhalb des System im Allgemeinen im Bereich zwischen etwa 20 und ungefähr 100 Sekunden gesamter Teilchenverweilzeit. Diese Verweilzeit kann ferner verändert werden, ebenso wie die Anzahl von Durchläufen oder die Rückführung der Flugascheteilchen durch das System, wie gewünscht, um das gewünschte Niveau an Kohlenstoffausbrennung zu erreichen.

Claims

System zur Entfernung von Kohlenstoff von Flugascheteilchen mit: einem Reaktor (12) mit einem Bereich (27) für eine dichte Phase und einem Bereich (28) für eine verdünnte Phase; einer Wärmequelle (30); einer Ascheauffangvorrichtung (45), die mit dem Reaktor (12) verbunden ist, zum Aufnehmen eines Abluftstroms (24), die Flugascheteilchen in ihrer verdünnten Phase enthält, zum Sammeln von Flugascheteilchen vom Abluftstrom (24); einem Sammler (80), der Flugascheteilchen empfängt und sammelt, die aus dem Bereich (28) der verdünnten Phase des Reaktors (12) ausgelassen werden, wobei der Sammler (80) ein angesammeltes oder angesammeltes und belüftetes Bett (105) umfasst, wobei der Sammler (80) und der Bereich (27) der dichten Phase des Reaktors (12) mit einem Einleitungskanal (22) dazwischen in Verbindung stehen, wobei der Sammler (80) einen Strom von Flugascheteilchen zum Bereich (27) der dichten Phase des Reaktors (12) durch den Einleitungskanal (22) liefert, und dadurch gekennzeichnet, dass der Sammler (80) und der Einleitungskanal (22) so konstruiert sind, dass die Bewegung von gesammelten oder gesammelten und belüfteten Flugascheteilchen zum Bereich (27) der dichten Phase des Reaktors (12) durch den Einleitungskanal (22) in Reaktion auf einen Druck ermöglicht wird, der durch die Masse von Feststoffen innerhalb des Sammlers (80) erzeugt wird, der einen Gegendruck innerhalb des Betts (27) der dichten Phase des Reaktors (12) übersteigt.
System nach Anspruch 1, welches ferner eine Rohmaterial-Speiseleitung (125) zum Liefern einer Zuführung von Flugascheteilchen zum Reaktor (12) oder zur Ascheauffangvorrichtung (45) oder zum Sammler (80) umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei der Bereich (27) der dichten Phase ein Bett (40) von grobem teilchenförmigen Material umfasst.
System nach Anspruch 3, wobei das grobe teilchenförmige Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sand, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und inerten Oxidmaterialien besteht.
System nach Anspruch 1, wobei der Reaktor (12) einen lang gestreckten Reaktorkörper (13) mit einem ersten Ende (16), an dem der Bereich (27) der dichten Phase angeordnet ist, und einem zweiten Ende (17), an dem ein Auslass für das Auslassen von verbrannten Flugascheteilchen aus dem Bereich (28) der verdünnten Phase ausgebildet ist, umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei die Ascheauffangvorrichtung (45) einen Abscheider (56) mit einem Einlassende (49), an dem ein Abluftstrom (24), der Flugascheteilchen enthält, vom Reaktor (12) aufgenommen wird, und einem Auslassende (51), an dem Flugascheteilchen, die vom Abluftstrom (24) aufgefangen werden, zum Auslassen an den Sammler (80) gesammelt werden, umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei die Ascheauffangvorrichtung (45) eine Zyklonabscheider-Ausfallkammer oder -Filterkammer umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei die Ascheauffangvorrichtung eine primäre Ascheauffangvorrichtung (45) umfasst und das System ferner eine sekundäre Ascheauffangvorrichtung (62), die mit der primären Ascheauffangvorrichtung (45) verbunden ist, zum Aufnehmen und Trennen von Flugascheteilchen von einem Abluftstrom (63) der primären Ascheauffangvorrichtung (45) umfasst.
System nach Anspruch 8, wobei die sekundäre Ascheauffangvorrichtung (62) einen Abscheider mit einem Einlass (68), durch den der Abluftstrom (63) der primären Ascheauffangvorrichtung (45) aufgenommen wird, einen Ascheauslass (69) und eine Abscheiderkammer (63), in der die Asche vom Abluftstrom (77) zur Rückführung zum Sammler (80) gesammelt wird, umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei der Sammler (80) ein Standrohr (85) umfasst, das eine innere Kammer (92) festlegt, in der Flugascheteilchen im Bett (105) mit einer Größe gesammelt werden, die ausreicht, um eine Zufuhr von Flugascheteilchen vom Standrohr (85) zum Bereich (27) für die dichte Phase des Reaktors (12) aufrechtzuerhalten.
System nach Anspruch 1, welches ferner ein Ventil (119), das mit dem Kanal (22) verbunden ist, zum Regeln des Stroms von Flugascheteilchen zum Bereich (27) für die dichte Phase umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei die Wärmequelle (30) einen gasbeheizten Brenner, eine elektrische Heizvorrichtung oder eine andere Kraftstoff verbrennende Heizvorrichtung umfasst.
System nach Anspruch 1, welches ferner eine Antriebsluftquelle (33) benachbart zum Bereich (27) für die dichte Phase zum Lenken eines Stroms von Luft durch den Bereich (27) für die dichte Phase umfasst.
System nach Anspruch 13, welches ferner einen Wärmetauscher (32), der mit der Antriebsluftquelle (33) verbunden ist, zum Erwärmen des Stroms von Luft, der durch den Bereich (27) für die dichte Phase eingeleitet wird, umfasst.
System nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, welches ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass der Restkohlenstoff auf eine Menge von ≤ 2 % der Flugasche verringert wird.
Verfahren zum Entfernen von Kohlenstoff von Flugascheteilchen, umfassend: Einleiten von Flugascheteilchen mit einem Restkohlenstoffgehalt in ein Bett (27) einer dichten Phase innerhalb des Reaktors (12); Erhitzen der Flugascheteilchen in dem Bett (27) der dichten Phase auf eine Temperatur, die ausreicht, um eine Verbrennung des Restkohlenstoffs darin zu bewirken; Befördern der Flugascheteilchen durch das Bett (27) der dichten Phase in eine verdünnte Phase (28) in dem Reaktor (12) für eine fortgesetzte Verbrennung des Kohlenstoffs darin; Auslassen der Flugascheteilchen in der verdünnten Phase (28) an eine Ascheauffangvorrichtung (45) und danach Trennen der Flugascheteilchen von der aus dem Reaktor (12) ausgelassenen Luft (24); Ansammeln der ausgelassenen Flugascheteilchen in einem Sammler (80) mit belüftetem Bett; und gekennzeichnet durch Einleiten von angesammelten Flugascheteilchen in das Bett (27) der dichten Phase des Reaktors (12) in Reaktion auf einen durch die Masse der Feststoffe innerhalb des Sammlers (80) erzeugten Druck, der einen Gegendruck innerhalb des Betts (27) der dichten Phase des Reaktors (12) übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 16, welches ferner das Auslassen der angesammelten Flugascheteilchen zur Kühlung und Weiterverarbeitung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, welches ferner das Zuführen eines Luftstroms zum Bett (27) der dichten Phase umfasst, um die Flugascheteilchen zur verdünnten Phase (28) zu befördern.
Verfahren nach Anspruch 16, welches ferner das Auslassen der von den Flugascheteilchen getrennten Luft zu einer sekundären Ascheauffangvorrichtung (62) und danach das Trennen der Flugascheteilchen, die in der ausgelassenen Luft verbleiben, in sekundärer Ascheauffangvorrichtung (62) umfasst.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 19, welches ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass der Restkohlenstoff auf eine Menge von ≤ 2 % der Flugasche verringert wird.