DE60125737T2

DE60125737T2 - Verfahren und vorrichtung zur partikelabtrennung aus heissen abgasen

Info

Publication number: DE60125737T2
Application number: DE60125737T
Authority: DE
Inventors: Timo Hyppänen
Original assignee: Foster Wheeler Energia Oy
Current assignee: Amec Foster Wheeler Energia Oy
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2021-04-07
Also published as: JP2003530205A; AU2001252308A1; EP1464374B1; FI20000832A0; DE60126363T2; CA2404800C; PT1268036E; CZ20023300A3; KR100500303B1; EP1268036B1; RU2002129505A; HU229183B1; EP1464374A1; HUP0300468A2; DK1268036T3; US20030150325A1; CN1434740A; ES2280361T3; ATE350129T1; KR20020088434A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fliehkraftabscheider-Anordnung zur Abscheidung von Partikeln aus heißen Gasen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Solch eine Anordnung ist aus US-A-5,281,398 bekannt.
Somit bezieht sich die Erfindung auf eine Fliehkraftabscheider-Anordnung, die an einem Wirbelschichtreaktor befestigt ist, zur Abscheidung von Feststoffpartikeln aus Gas, das aus der Reaktionskammer eines Wirbelschichtreaktors abgezogen wird, welche Abscheideranordnung eine Wirbelkammer umfasst, die in Horizontalrichtung von einer Vielzahl sich vertikal erstreckender Außenwände begrenzt wird, die aus planaren Wasserrohrpaneelen gebildet sind, wobei die Innenseite der Wände mit einer feuerfesten Auskleidung versehen ist und einen Gasraum in der Wirbelkammer begrenzt, wo zumindest ein vertikaler Gaswirbel gebildet wird; zumindest einen Einlass zur Einführung von Gas aus der Reaktionskammer in den Gasraum; zumindest einen Auslass für den Abzug gereinigten Gases aus dem Gasraum; und zumindest einen Auslass zur Austragung von abgeschiedenen Feststoffpartikeln aus dem Gasraum.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich speziell auf Fliehkraftabscheider, die zur Abscheidung von Feststoffpartikeln aus den Prozess- und den Produktgasen von Wirbelschichtreaktoren, besonders Wirbelschichtreaktoren mit zirkulierender Wirbelschicht benutzt werden, die zur Verbrennung oder Vergasung kohlenhaltiger oder anderer Brennstoffe eingesetzt werden.
Es ist allgemein bekannt, wie die Einlass- und die Auslasskanäle eines Fliehkraftabscheiders angeordnet werden sollten, um das durch den Einlasskanal eintretende Rauchgas dazu zu bringen, einen vertikalen Gaswirbel zu erzeugen. Konventionelle Fliehkraftabscheider-Anordnungen umfassen einen oder mehrere Fliehkraftabscheider, d. h. Zyklone, die durch eine Außenwand begrenzt werden, die eine Form eines geraden Kreiszylinders und einen konischen Boden hat. Die Zyklone eines Wirbelschichtreaktors werden traditional als ungekühlte Konstruktionen hergestellt, die mit feuerfester Auskleidung versehen werden, obwohl die Wände des Wirbelschichtreaktors selbst in der Regel aus gekühlten Wasserrohrpaneelen gebildet werden. Wenn ein ungekühlter Partikelabscheider mit einer gekühlten Reaktionskammer verbunden wird, ist es notwendig, die variierende thermische Bewegung zu berücksichtigen und solche Anordnungen einzusetzen, die die relative Bewegung ermöglichen, auch wenn diese Anordnungen teuer und beschädigungsanfällig sind. Zylindrische Zyklone sind auch als aus Wasserrohren gebildete Konstruktionen hergestellt worden, wobei die Temperaturdifferenz zwischen dem Zyklon und der gekühlten Reaktionskammer klein bleibt. Das Vorsehen einer Wasserrohrwand-Konstruktion einer zylindrischen Form und Verbinden derselben mit den umliegenden Konstruktionen erfordert jedoch viel manuelle Arbeit und ist deshalb teuer.
Z. B. das US-Patent Nn. 4,880,450 beschreibt ein Verfahren dar, mit dem ein gekühlter zylindrischer Zyklon mit dem Brennraum eines Wirbelschichtkessels und seinem Wärmerückgewinnungsabschnitt verbunden werden kann. Der zylindrische obere Abschnitt des Zyklons umfasst aneinander befestigte Wasser- oder Dampfrohre, deren Innenfläche mit isolierendem Material bedeckt ist. Der erfindungsgemäße Abscheider kann mit einer gekühlten Umgebung ohne getrennte Elemente verbunden werden, die die relative Bewegung ermöglichen, doch die Konstruktion ist sehr aufwendig und deshalb teuer.
Das US-Patent Nr. 5,281,398 stellt eine Anordnung dar, bei der Teilchen aus heißen Gasen in einem Fliehkraftabscheider getrennt werden, dessen Wirbelkammer sich aus planaren Wasserrohrpaneelen zusammensetzt. Somit ist der Gasraum der Wirbelkammer im Horizontalschnitt vieleckig, bevorzugt quadratisch oder rechteckig. Diese Art Abscheider ist in der Herstellung teuer und kann leicht mit einem Reaktorbrennraum verbunden werden, der aus ähnlichen Wandpaneelen gebildet ist, wodurch eine kompakte Einheit gebildet wird. Traditionell ist der Gasraum einer Abscheider-Wirbelkammer zylindrisch, weil das Aufrechterhalten der Gaswirbelgeschwindigkeit in möglichst geringem Grad durch den zylindrischen Raum beeinträchtigt wird. Die im US-Patent Nr. 5,281,398 dargestellte Erfindung basiert jedoch auf der Tatsache, dass ein Gaswirbel auch in einem Raum mit vieleckigem Querschnitt gebildet werden kann. In einem zylindrischen Abscheider werden die durch Fliehkräfte abgeschiedenen Partikel zum Umfang des Wirbels getrieben und fließen die Innenwände der Wirbelkammer entlang abwärts. Zweckdienliche Funktion eines vieleckigen Abscheiders basiert auf der Tatsache, dass die Ecken des Gasraums die Abscheidung der Partikel verbessern und als geeignete Abwärtsströmungsbereiche für die abgeschiedenen Teilchen dienen.
Das US-Patent Nr. 4,615,715 stellt eine Anordnung dar, bei der ein zylindrischer Zyklon, der aus abriebfestem Material hergestellt ist, in einem gekühlten Gehäuse angeordnet wird, das im Querschnitt quadratisch ist. Bei dieser Anordnung ist die Form des Gasraums ideal fürs Aufrechterhalten der Wirbelgeschwindigkeit, und dennoch kann die Herstellung von Wasserrohrpaneelen für das Abscheidergehäuse automatisiert werden, und der Abscheider kann direkt mit einer gekühlten Umgebung verbunden werden. Bei der Anordnung dem Patent zufolge wird der relativ große Raum zwischen dem ringförmigen Innenraum und dem quadratischen Außengehäuse mit geeignetem Material ausgefüllt. Das Problem bei diesem Material ist, dass es als Wärmedämmung funktioniert und das Gewicht und die Wärmekapazität des Abscheiders steigert. Somit erhöht es während des Betriebs die Temperatur der Abscheider-Innenwand und trägt zu ihrer Wärmeträgheit bei. Große und schnelle Temperaturänderungen können das Material im Zwischenraum beschädigen, was die Wartungs- und Reparationskosten erhöht. Deshalb müssen die Temperaturänderungen im Abscheider langsam genug zu sein, welche Tatsache berücksichtig werden soll, wenn die Kapazität der Anlage geändert wird, und besonders beim Ein- und Ausschalten. Des Weiteren muss die innerste Oberfläche des Materials sehr abriebfest sein, weshalb die Befüllung des Zwischenraums durch eine spezielle Mehrschichttechnik vorgenommen wird. Dies erhöht jedoch die Konstruktionskosten und macht die Abscheiderkonstruktion kompliziert.
Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Fliehkraftabscheider-Anordnung vorzusehen.
Im Besonderen ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine kompakte Fliehkraftabscheider-Anordnung vorzusehen, welche Anordnung in der Herstellung weniger teuer ist und der Grad von Partikelabscheidung hoch ist.
Überdies ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Fliehkraftabscheider-Anordnung mit geringem Wartungsbedarf vorzusehen, welche Anordnung bevorzugt mit einer gekühlten Reaktionskammer verbunden werden kann.
Um diesen und anderen Gegenständen gerecht zu werden, ist eine Fliehkraftabscheider-Anordnung vorgesehen, deren charakterisierende Merkmale im charakterisierenden Teil von Anspruch 1 beschrieben sind.
Somit ist es charakteristisch für die Fliehkraftabscheider-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, dass die sich vertikal erstreckenden Außenwände der Wirbelkammer ein annähernd regelmäßiges Polygon mit 5–10 Ecken bilden, wobei jede Ecke durch eine feuerfeste Auskleidung auf der Innenseite der Außenwände abgerundet ist.
Die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung vereint die Vorteile von planaren Kühlflächen und einem abgerundeten Gasraum und vermeidet die Nachteile dicker feuerfester Schichten, indem sie für die Außenwand der Wirbelkammer einen vieleckigen horizontalen Querschnitt vorsieht.
Abscheider gemäß dem US-Patent Nr. 5,281,398, wo der Gasraum der Wirbelkammer im Horizontalschnitt ein Vieleck ist, funktionieren unter normalen Betriebsverhältnissen einwandfrei. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass eine besonders vorteilhafte Konstruktion für die Abscheider der neuen Generation vorgesehen werden kann, indem man Gasgeschwindigkeiten und Abscheider-Konstruktionsstandards anwendet, die sich von den bisher eingesetzten unterscheiden. Wenn solche Entwicklung von Abscheidern weiter gefördert wird, können die Winkel des Gasraums bei einigen Anwendungen Beschränkungen für die Gesamtkonstruktion des Reaktors verursachen.
Man hat herausgefunden, dass bei einigen Anwendungen die Funktion eines vieleckigen Abscheiders weiter verbessert werden kann, indem man die Ecken abrundet, die durch die Außenwände der Wirbelkammer gebildet werden. Des Weiteren, um Konstruktionsprobleme und Probleme zu minimieren, die die Standzeit der Konstruktion betreffen, die durch das Abrunden der Ecken verursacht werden, es ist bei der vorliegenden Anordnung wesentlich, dass der Winkel zwischen den planaren Paneelen der Außenwand der Wirbelkammer an der abgerundeten Außenecke deutlich über 90 Grad ist.
Auf Basis des US-Patents 5,738,712 ist es bisher bekannt, dass die in eine rechteckige Wirbelkammer eintretende Gasströmung und der Gaswirbel in der Wirbelkammer einander stören können, es sein denn, der Gaswirbel wird in Richtung des ankommenden Strahls in der Ecke umgelenkt, die von einer Trennwand gebildet wird, die mit der Einlassöffnung verbunden ist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich jedoch auf ein anderes Problem, d. h. dass der Gaswirbel im Eckbereich der Wirbelkammer möglicherweise weniger optimal bleibt.
Wenn ein vertikaler kreisförmiger Zylinder von vier sich vertikal erstreckenden planaren, zueinander senkrechten Paneelen umschlossen und in einer tangentialen Beziehung zum Zylinder ist, ist der Abstand zwischen den planaren Paneelen und dem Zylinder in den Ecken ungefähr 0,414-mal der Zylinderradius. Folglich, wenn die feuerfeste Auskleidung derart vorgesehen ist, dass die Dicke der Schicht in der Mitte des planaren Paneels z. B. 0,05-mal der Zylinderradius ist, ist die Schicht in den Ecken mehr als achtmal dicker. Besonders in den Eckbereichen kann somit die thermische Leitfähigkeit der feuerfesten Schicht niedrig sein, und die Kühlung der Außenfläche ist nicht unbedingt im Stande, die Temperatur der Innenfläche niedrig genug zu halten. Des Weiteren kann die veränderliche Dicke der feuerfesten Auskleidung beachtliche Temperaturdifferenzen verursachen und dadurch das Risiko vergrößern, dass die Schicht beschädigt wird. Eine dicke Schicht erhöht auch das Gewicht der Konstruktion und verursacht dadurch Probleme, die sich auf die Abstützung der Konstruktion beziehen.
Wenn der Zylinder statt vier von fünf Paneelen umschlossen ist, ist der Winkel zwischen den Paneelen 108 Grad und der Abstand zwischen den Paneelen und dem Zylinder ist nur 0,236-mal der Zylinderradius an den Ecken. Mit sechs, sieben und acht Paneelen, wobei der Winkel dazwischen 120, 128,6 beziehungsweise 135 Grad ist, ist der Abstand 0,154-, 0,110- beziehungsweise 0,082-mal der Zylinderradius. Somit gehen die maximale Dicke der feuerfesten Schicht und auch sein Gewicht und seine Wärmekapazität wesentlich zurück, sogar wenn der Winkel der Abscheiderecke anstelle von 90 Grad z. B. 108 Grad ist. Wenn der Winkel 135 Grad ist, ist die maximale für das Abrunden erforderliche Schichtdicke nur ein Fünftel davon, was für das Abrunden eines rechten Winkels notwendig ist. Die thermische Leitfähigkeit einer dünnen feuerfesten Auskleidung ist gut und relativ gleichmäßig sogar in den verschiedenen Teilen der Außenwand der Wirbelkammer, wobei die maximalen Temperaturen der Schicht im Betrieb zurückgehen und die Temperaturdifferenzen sich in den verschiedenen Wandabschnitten verringern.
Der vorliegenden Erfindung zufolge ist jede Abscheiderecke abgerundet und annähernd der gleichen Größe. In diesem Fall ist die Anzahl Ecken bevorzugt 5, 6, 7 oder 8 und die Winkel ungefähr 108, 120, 128,6 beziehungsweise 135 Grad. Wenn die Anzahl der Abscheiderecken sechs oder acht ist, kann eine Vielzahl Abscheider bevorzugt miteinander und/oder dem Brennraum verbunden werden. Am bevorzugtesten hat der Abscheider acht Ecken, wobei die parallelen Wände zwischen Abscheider und Reaktionskammer sowie zwischen benachbarten Abscheidern bei Gestaltung der Konstruktion eingesetzt werden können. In einigen besonderen Fällen, d. h. zur Anordnung einer speziellen Stützkonstruktion und eines Gaseinlasskanals, kann es jedoch vorteilhaft sein, auch solche Abscheider herzustellen, wo die Anzahl Ecken ungerade ist.
Einem ersten Aspekt der Erfindung zufolge ist die Abrundung der Ecken derart arrangiert, dass in demjenigen Abschnitt der Wirbelkammer-Außenwand, die eine Vielzahl von Ecken beherbergt, die Wirbelkammer-Innenwand kontinuierlich zylindrisch ist. Das heißt, der Krümmungsradius der Abrundung ist annähernd der Gleiche wie der Abstand zwischen dem im Zentrum des in der Wirbelkammer gebildeten Wirbels und der Innenwand der Wirbelkammer. Einem zweiten Aspekt der Erfindung zufolge sind in jedem Eckbereich getrennte Abrundungen vorgesehen, wobei der Krümmungsradius der Abrundung kleiner als oben erwähnt ist, und zwischen den abgerundeten Teilen eine gerade Innenwandfläche verbleibt, die lediglich eine dünne, gleichmäßige feuerfeste Auskleidung zum Schutz der Wand erfordert. Die durch die feuerfeste Auskleidung erforderliche Dicke hängt von den verwendeten Materialien und den Betriebsverhältnissen ab und ist typisch zumindest ungefähr 15–70 mm. Um die durch die Abrundung gemäß der vorliegenden erzielten Vorteile zu erreichen, sollte ihr Krümmungsradius nicht zu klein sein. Bevorzugt ist der Krümmungsradius der Abrundung zumindest ungefähr ein Drittel vom Radius des in der Wirbelkammer gebildeten Wirbels, d. h. vom Abstand zwischen Wirbelzentrum und Innenwand der Wirbelkammer.
Bei Benutzung eines kurzen Krümmungsradius ist die Rundheit der Kammer nicht vollständig, sondern die Menge der feuerfesten Auskleidung an den Wänden ist sogar kleiner als im Falle einer kontinuierlich zylindrischen Wirbelkammer. In einigen Fällen, infolge der variierenden Merkmale der Ecken, kann es bevorzugt sein, für die Abrundung in verschiedenen Ecken unterschiedliche Krümmungsradien zu benutzen.
Der horizontale Querschnitt der Wirbelkammer kann bevorzugt entweder beinahe kreisförmig, wobei nur ein Gaswirbel in der Wirbelkammer gebildet wird, oder länglich und auf eine Weise geformt sein, die es zulässt, dass in der Wirbelkammer mehr als ein Gaswirbel gebildet werden. Die Breite des horizontalen Querschnitts der Wirbelkammer, d. h. diejenige Dimension der Wirbelkammer, die sich in Richtung der Reaktionskammerwand am nächsten zur Wirbelkammer erstreckt, ist bevorzugt ungefähr zweimal die zur Breite senkrechte Tiefe, wobei bevorzugt zwei benachbarte Gaswirbel in der Wirbelkammer gebildet werden können.
Die Gaseinlasskanäle zu einer Wirbelkammer mit zwei Gaswirbeln sind am bevorzugtesten in der Mitte der Wirbelkammerwand auf Seiten der Reaktionskammer angeordnet, sie können aber auch voneinander getrennt, nahe der Außenecken der Wirbelkammerwand auf Seiten der Reaktionskammerwand angeordnet sein. Die den Einlasskanälen zugewandte Wand, die in der Mitte der Wand in der Wirbelkammer von zwei Wirbeln auf Seiten der Reaktionskammer angeordnet sind, kann gerade sein, wobei die in die Wirbelkammer eintretende Gasströmung fast senkrecht auf der Wand aufschlägt. Wahlweise kann in der Mitte der Wand ein Wandabschnitt, der aus planaren Wasserrohrpaneelen gebildet und in Querschnitt dreieckig ist, vorgesehen sein, wobei durch Abrunden des Wandabschnitts die Gasströmung dazu gebracht wird, zuerst auf einer abgerundeten Wand aufzuschlagen.
Um die konstruktive Festigkeit und hohe Abscheideleistung sicherzustellen, sind oft anstelle eines großen Abscheiders zwei kleinere Abscheider in einer großen Reaktionskammer konstruiert. Beim Einsatz von mehreren gekühlten zylindrischen Abscheidern steigert der hohe Anteil an manueller Arbeit übermäßig die Kosten. Somit ist es ökonomischen Gründen manchmal notwendig, größere Abscheider zu benutzen als was tatsächlich optimal ist. In diesen Fällen ist es nicht immer sicher, dass eine hohe Abscheideleistung unter allen Verhältnissen erreicht werden kann, und deshalb, um die konstruktive Festigkeit sicherzustellen, müssen platzraubende und kostensteigernde Anordnungen benutzt werden. Bei Benutzung der Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung, können auch kleine Abscheider zu niedrigen Kosten hergestellt werden kann, wobei Abscheider eingesetzt werden können, die leicht abzustützen sind und in Hinsicht auf die Abscheideleistung optimal sind.
Wenn die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Außenwände z. B. acht Winkel umfassen, können zwei benachbarte Wirbelkammern bevorzugt so angeordnet werden, dass ihre Seiten parallel verlaufen, wobei die parallelen Wandpaneele der Wirbelkammern direkt miteinander verbunden werden können. Vorteilhaft können die benachbarten Wirbelkammern auch auf solche Weise miteinander verbunden werden, dass sie sich einen gemeinsamen geraden Wandabschnitt teilen.
Fliehkraftabscheider-Anordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung können bevorzugt in Verbindung mit einer Reaktionskammer angeordnet werden, so dass einige der planaren Außenwandpaneele der Wirbelkammer parallel zur planaren Wand der Reaktionskammer sind, wobei die Wirbelkammer leicht an der Reaktionskammerwand befestigt werden kann. Die Wirbelkammern können auch vorteilhaft auf solche Weise hergestellt werden, dass die Wandabschnitte der Wirbelkammern auf Seiten der Reaktionskammer von der Reaktionskammer geteilt werden.
Die Möglichkeit, gemeinsame Wandabschnitte zwischen zwei Abscheidern oder zwischen Abscheider und Brennraum zu benutzen, ist einer der Vorteile eines aus planaren Rohrpaneelwänden gebildeten Abscheiders, weil dadurch die Herstellungskosten erheblich reduziert werden können. Die gemeinsamen Wandabschnitte können jedoch von keiner der beiden Seiten des Wandabschnitts leicht abgestützt werden, wodurch die Breite einer gemeinsamen Wand dieser Art in der Praxis ein gewisse Höchstgrenze hat. Wenn sie überschritten wird, müssen zwei getrennte Wände benutzt werden. Somit können die Stützanordnungen für die gemeinsamen Wandabschnitte in einigen Fällen die Nutzung von großen Abscheidern optimaler Größe verhindern.
Die Breite der planaren Außenwand eines rechteckigen Abscheiders ist immer zumindest ebenso groß wie der Wirbeldurchmesser, aber die Breite einer einzelnen Wand im Abscheider gemäß der vorliegenden Erfindung kann deutlich kleiner als der Wirbeldurchmesser sein. Somit besteht einer der Vorteile des erfindungsgemäßen Abscheiders darin, dass dem obengenannten Problem in Hinsicht auf die Abstützung der gemeinsamen Wandabschnitte allein mit Abscheidern begegnet wird, deren Gasräume größere Durchmesser haben als jene, wo dem Problem durch den Einsatz von rechteckigen Abscheidern begegnet wird.
Auf Basis des Obigen kann der Durchmesser der Wirbelkammer in einem Partikelabscheider gemäß der vorliegenden Erfindung in jedem Einzelfall freier optimiert werden als der Durchmesser der Wirbelkammer bei gekühlten zylindrischen Partikelabscheidern oder Abscheidern mit einer rechteckigen Außenwand. Bevorzugt ist der Durchmesser der Wirbelkammer gemäß der vorliegenden Erfindung ungefähr 3–8 m, z. B. ungefähr 5 m.
Weil die Wirbelkammern gemäß der vorliegenden Erfindung im Querschnitt nicht rechteckig sind, werden freie dreieckige Räume gebildet, wenn die Wirbelkammern miteinander und mit der Reaktionskammer verbunden werden. Bevorzugt können z. B. vertikale Stützkonstruktion der gesamten Reaktoranlage in diesen Räumen angeordnet werden. Diese freien Räume können bevorzugt auch zur Anordnung von verschiedenen Mess- und Inspektionsöffnungen sowie als Probenahmestutzen und Aufgabekanäle für verschiedene Materialien eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung weiter mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigt
1 eine schematische vertikale Schnittansicht eines Wirbelschichtreaktors, der einen Fliehkraftabscheider gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 eine schematische vertikale Schnittansicht eines anderen Wirbelschichtreaktors, der einen Fliehkraftabscheider gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst;
3 und 4 sind Schnittansichten entlang Linie A-A von 1 oder 2 und stellen Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
1 stellt einen Wirbelschichtreaktor 10 dar, der eine Reaktionskammer 20, einen zentrifugalen Partikelabscheider (Zyklon) 40 und einen Rückführkanal 44 zur Rückführung von abgeschiedenen Teilchen zur Kammer 20 umfasst. Die Reaktionskammer 20, die im Horizontalschnitt rechteckig ist, ist seitlich von Wasserrohrwänden umgeben, von denen in 1 lediglich die Wände 22 und 24 dargestellt sind. Die Wasserrohrwände sind aus vertikalen Wasserrohren gebildet, die auf eine an sich bekannte Weise, durch schmale zwischen den Rohren geschweißte Stahlrippen, d. h. durch Flossen, miteinander verbunden sind. Die Außenwände des Partikelabscheiders 40 sind aus ähnlichen planaren Wasserrohren wie die Wände der Reaktionskammer 20 gebildet.
Brennstoff und andere Substanzen, die in der Reaktionskammer benötigt werden, z. B. festes Bettmaterial, werden in die Reaktionskammer durch verschiedene Einlasskanäle eingeführt, von denen in 1 lediglich der Einlasskanal 26 dargestellt ist. Das Bettmaterial in der Reaktionskammer wird durch Fluidisierungsgas 30 fluidisiert, das durch einen Gitterrost 28 in ihrem unteren Teil eingeführt wird. Fluidisierungsgas, etwa Luft, wird in die Reaktionskammer mit solch einer Geschwindigkeit eingeführt, dass das Bettmaterial kontinuierlich vom Gas mitgerissen zum oberen Abschnitt der Reaktionskammer 20 und weiter in einen Partikelabscheider 40 durch einen Einlasskanal 32 fließt, der im oberen Abschnitt angeordnet ist.
Das aus der Reaktionskammer 20 fließende Gas bildet im Partikelabscheider 40 einen vertikalen Gaswirbel, wobei die vom Gas mitgeführten Partikel an die Innenwände der Wirbelkammer getrieben werden und durch den verjüngten unteren Abschnitt 42 der Wirbelkammer zu einem Rückführkanal 44 und weiter zurück zur Reaktionskammer 20 fallen. Das von Partikeln gereinigte Gas 46 verlässt den Abscheider durch den Gasauslasskanal, die im Deckenabschnitt der Wirbelkammer angeordnet ist, d. h. durch das Mittenrohr 48. Die Konstruktion des Partikelabscheiders gemäß der vorliegenden Erfindung, die in 3 bis 6 detailliert dargestellt ist, ist besonders nützlich, wenn das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Mittenrohrs 48 und dem kleinsten Durchmesser des Partikelabscheiders 40 0,4 übersteigt, und besonders, wenn es über 0,5 ist. Stromabwärts vom Mittenrohr 48 sind typisch, obwohl in 1 nicht dargestellt, eine Wärmerückgewinnungseinheit, ein Elektrofilter und ein Schornstein vorgesehen. Der untere Abschnitt 42 des Partikelabscheiders 40 ist bevorzugt auch aus planaren Wasserrohrpaneelen gebildet. Der untere Abschnitt des Rückführkanals ist mit einem L-Krümmer oder einer anderen Gasschleusenanordnung versehen, die verhindert, dass Gas aus der Feuerung 20 durch den Rückführkanal 44 zum Partikelabscheider 40 fließt.
Ansonsten ist 2 ähnlich zu 1, doch in 2 ist der verjüngte untere Abschnitt 22 des Abscheiders 40 asymmetrisch. Somit erstreckt sich in 2 die vom Abscheider 40 einschließlich des Rückführkanals 44, der seine Verlängerung bildet, und von der Feuerung 20 geteilte gemeinsame Wand 24 fast über die gesamte Höhe der Feuerung. 2 stellt auch eine Wärmetauschkammer 52 dar, die mit dem unteren Abschnitt des Rückführkanals 44 verbunden ist, wobei vom Partikelabscheider 40 rückgeführtes Bettmaterial durch eine Überlauföffnung 54, die mit der Wärmetauschkammer verbunden ist, dem Brennraum 20 rückgeführt wird. In der Anordnung gemäß 2 bilden der Brennraum 20, der Partikelabscheider 40 und der Rückführkanal 44 eine integrierte Einheit, die in Hinsicht auf die Abstützung der Konstruktion, Raumausnutzung und die Herstellungskosten vorteilhaft ist. Besonders, wenn eine Anordnung gemäß 2 benutzt wird, kann die den oberen und unteren Abschnitt 42 des Abscheiders, den Rückführkanal 44 und die Wärmetauschkammer 52 umfassende Einheit bevorzugt gekühlt gefertigt werden, so dass sich ein bedeutender Teil der Kühlrohre vom Boden der Wärmetauschkammer bis zur Abscheiderdecke hinauf erstreckt.
Partikelabscheider-Anordnungen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind detaillierter in den 3 und 4 dargestellt.
Zwei parallele Abscheider können derart angeordnet werden, dass ihre Einlasskanäle entweder parallel in Bezug auf die Wirbelkammer verlaufen oder in Bezug auf die Fläche zwischen den Abscheidern symmetrisch, in den Ecken am nächsten zu- oder am weitesten voneinander angeordnet sind. Besonders wenn die Einlasskanäle 32 von zwei benachbarten Abscheidern nebeneinander angeordnet sind, kann die Wand zwischen den Wirbelkammern teilweise oder vollständig eliminiert werden, wodurch die Anordnung sich der kombinierten Wirbelkammer-Anordnung mit zwei Wirbeln nähert.
3 stellt eine Partikelabscheider-Anordnung dar, die in einer großen Reaktionskammer 20 angeordnet ist, die eine Vielzahl Wirbelkammern 70, 70', 70'' umfasst. In 3 sind drei parallele Wirbelkammern dargestellt, doch kann ihre Anzahl auch größer oder kleiner sein als drei. Der gesamte Gasraum der Wirbelkammern 3 ist abgerundet, und jede Kammerecke ist ungefähr 135 Grad. Der untere Teil 42 des in 1 und 2 dargestellten Abscheiders ist bevorzugt auch aus planaren Wasserrohrpaneelen hergestellt, man hat aber herausgefunden, dass es nicht notwendig ist, das Abrunden gemäß der vorliegenden Erfindung bis an den unteren Abschnitt 42 auszuweiten.
Die Menge von feuerfester Auskleidung, die für das Abrunden des Gasraums einer Wirbelkammer mit achteckigem Querschnitt erforderlich ist, ist beachtlich kleiner als die Menge, die für das Abrunden einer quadratischen Wirbelkammer gemäß dem US-Patent Nr. 4,615,715 gebraucht wird. Die Wärmeleitfähigkeit einer dünnen feuerfesten Schicht ist hoch, und die aus planaren Wasserrohrpaneelen gefertigten Wirbelkammerwände kühlen den Abscheider effizient ab. Dadurch ist solch eine Wirbelkammer beständig, kann zu niedrigen Kosten hergestellt werden, und ihre Abscheidekapazität ist die höchstmögliche.
Achteckige Wirbelkammern gemäß 3 können bevorzugt aneinander und an der Reaktionskammer befestigt werden, indem die parallelen Wände miteinander verbunden werden, oder gemeinsame Wandabschnitte 72, 74 und 74' vorgesehen werden, wie in 3 dargestellt ist. Die parallelen Wände der Wirbelkammern und die parallelen Wände, die von Wirbelkammer und Reaktionskammer geteilt werden, können bevorzugt auch gegeneinander abgestützt werden, indem Stützbalken 76 und 76' eingesetzt werden.
Zwischen den vieleckigen Wirbelkammern sowie zwischen den Wirbelkammern und der Reaktionskammer verbleiben freie dreieckige Räume, die bevorzugt z. B. fürs Anordnen von Stützkonstruktion 78 für die gesamte Reaktoranlage, Aufgabekanäle oder Dosierstutzen 80, 80' für Zusatzmittel eingesetzt werden können, die Verunreinigungen in Rauchgasen reduzieren, oder für andere Substanzen. 3 zufolge sind zwischen den Wirbelkammern 70 und 70' auch Einlasskanäle 82, 82' angeordnet, die die in die Wirbelkammern eintretenden Gasstrahlen parallel zu den Tangenten der Gaswirbel 84 und 84' in den Zyklonen leiten.
4 zeigt eine Abscheideranordnung mit zwei sechseckigen Wirbelkammern. Bei der Anordnung von 4 ist eine der Außenwände 86 der Wirbelkammer 70 parallel zur Wand 24 der Reaktionskammer 20. Bei dieser Anordnung können die Abscheider bevorzugt mit der Reaktionskammer z. B. mit Hilfe von Zwischenstützen verbunden sein. Eine andere Alternative besteht darin, zwei sechseckige Wirbelkammern anzuordnen, indem eine gemeinsame Wand oder parallele Wände dazwischen vorgesehen werden, wobei einer der Wirbelkammerwinkel zur Reaktionskammer hin gerichtet ist.
Jede Ecke in den sechseckigen Wirbelkammern gemäß 4 ist getrennt abgerundet worden, so dass zwischen den abgerundeten Ecken gerade Wandabschnitte 88 verbleiben, die mit einer dünnen, glatten Auskleidung bedeckt sind. Besonders wenn die Anzahl der Wirbelkammerwinkel weniger als acht ist, kann auf diese Weise bevorzugt eine leichte und beständige Abscheideranordnung vorgesehen werden.
In den obengenannten Beispielen war die Anzahl der Wirbelkammerwinkel sechs oder acht, sie kann aber auch eine andere, z. B. fünf oder sieben sein. Wenn die Anzahl der Winkel zunimmt, geht die Menge feuerfester Auskleidung, die für das Abrunden erforderlich ist, zurück, gleichzeitig steigen aber die Anzahl von Wasserrohrpaneelen und die Herstellungskosten. Somit gibt es eine optimale Anzahl von Winkeln, die normalerweise zwischen fünf und zehn ist.
Ein anderer Faktor, der die Vorteilhaftigkeit der Wirbelkammerform beeinflusst, ist die Anzahl paralleler Wände in der Konstruktion, die bei einer geraden Zahl von Winkeln größer als bei einer ungeraden Anzahl und besonders groß ist, wenn die Anzahl von Winkeln durch vier teilbar ist. Somit ist eine besonders bevorzugte Anzahl von Wirbelkammern acht, aber wie oben erwähnt wurde, kann in einigen Fällen die vorteilhafteste Anordnung durch irgendeine andere Anzahl von Winkeln erhalten werden kann.

Claims

Fliehkraftabscheider-Anordnung (40), fixierbar an einem Wirbelschichtreaktor zur Abscheidung von Feststoffpartikeln von Gas, das aus einer Reaktionskammer (20) des Wirbelschichtreaktors (10) abgezogen wird, die Abscheideranordnung umfassend: – eine Wirbelkammer (70, 70', 70''), die in Horizontalrichtung durch sich vertikal erstreckende Außenwände (72, 74, 74', 86, 88) begrenzt wird, die aus planaren Wasserrohrpaneelen gebildet sind, wobei die Innenseite der Wände zumindest teilweise mit einer feuerfesten Auskleidung versehen ist und einen Gasraum in der Wirbelkammer begrenzt, wo ein vertikaler Gaswirbel (84, 84') gebildet wird; – zumindest einen Einlass (82, 82') zur Einführung von Gas und Feststoffpartikeln aus der Reaktionskammer in den Gasraum; – zumindest einen Auslass (48) für den Abzug von gereinigtem Gas aus dem Gasraum; und – zumindest einen Auslass (44) zur Austragung von separaten Feststoffpartikeln durch einen Rückführkanal aus dem Gasraum in die Reaktionskammer, dadurch gekennzeichnet, dass die sich vertikal erstreckenden Außenwände der Wirbelkammer ein annähernd regelmäßiges Polygon mit 5–10 Ecken bilden, wobei jede der Ecken durch eine feuerfeste Auskleidung auf der Innenseite der Außenwände (72, 74, 74', 86, 88) abgerundet ist, worin: i) die Wirbelkammer-Innenwand kontinuierlich zylindrisch und der Krümmungsradius der Abrundung ungefähr der Gleiche ist wie der Abstand zwischen dem Zentrum des in der Wirbelkammer gebildeten Wirbels und der Innenwand der Wirbelkammer, oder ii) jede Ecke getrennt auf solche Weise abgerundet ist, dass eine gerade Innenwandfläche zwischen den abgerundeten Teilen verbleibt, wobei der Krümmungsradius der Abrundung kleiner ist als der Abstand zwischen dem Zentrum des in der Wirbelkammer gebildeten Wirbels und der Innenwand der Wirbelkammer.
Fliehkraftabscheider-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Außenwänden (72, 74, 74', 86, 88) gebildeten Winkel zwischen 108 und 135 Grad sind.
Fliehkraftabscheider-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Außenwänden (72, 74, 74') gebildeten Winkel ungefähr 135 Grad sind.
Fliehkraftabscheider-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zwei Wirbelkammern (70, 70', 70'') umfasst, die sich eine gemeinsame Wand (74, 74') teilen.
Fliehkraftabscheider-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wirbelkammer (70, 70', 70'') und der Reaktor (20) einen gemeinsamen Wandabschnitt (72) teilen.
Fliehkraftabscheider-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zwei Wirbelkammern (70, 70', 70'') umfasst, und ein dreieckiger freier Raum zwischen den Wirbelkammern verbleibt, in welchem freien Raum eine Reaktorstützkonstruktion (78) oder ein Aufgabekanal oder ein Dosierstutzen (80) vorgesehen ist.
Fliehkraftabscheider-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Abscheider und Reaktor (20) ein dreieckiger freier Raum verbleibt, in welchem Raum ein Einlasskanal (82, 82') für aus der Reaktionskammer abgezogenes Gas oder ein Aufgabekanal oder ein Dosierstutzen (80') vorgesehen ist.
Fliehkraftabscheider-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (42) des Abscheiders (40) asymmetrisch ist und eine mit der Reaktionskammer (20) und dem Rückführkanal (44) integrierte Einheit bildet.
Fliehkraftabscheider-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen abgerundeten Ecken gerade Innenwandabschnitte (88) gebildet werden, wobei der Krümmungsradius der Abrundung zumindest ein Drittel des Abstands zwischen dem Wirbelzentrum und der Innenwand der Wirbelkammer ist.