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DE2646860A1 - Verfahren zum betrieb eines fliessbettsystems - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines fliessbettsystems

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Publication number
DE2646860A1
DE2646860A1 DE19762646860 DE2646860A DE2646860A1 DE 2646860 A1 DE2646860 A1 DE 2646860A1 DE 19762646860 DE19762646860 DE 19762646860 DE 2646860 A DE2646860 A DE 2646860A DE 2646860 A1 DE2646860 A1 DE 2646860A1
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DE
Germany
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fluidized bed
particles
component
bed
area
Prior art date
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Application number
DE19762646860
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English (en)
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DE2646860C2 (de
Inventor
Ke-Tien Liu
Herman Nack
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Battelle Development Corp
Original Assignee
Battelle Development Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Battelle Development Corp filed Critical Battelle Development Corp
Publication of DE2646860A1 publication Critical patent/DE2646860A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE2646860C2 publication Critical patent/DE2646860C2/de
Granted legal-status Critical Current

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Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb eines Fließbettsystems als Kombination eines dichten Fließbettes und eines eingeschlossenen Fließbettes. Insbesondere betrifft sie den Betrieb eines Systems, in dem die beiden Fließbette zwei verschiedene Terlchenkoraponenten enthalten, wobei mindestens eine Komponente eine physikalische und chemische Langzeitstabilität in dem System besitzt und in dem dichten Fließbett gehalten wird, während die andere Komponente in diesem aufgenommen ist und durch das selbe im Kreislauf geführt wird
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Fließbetten können in einer Vielzahl von Prozessen verwendet werden, von einfachen Wärmeaustauschreaktionen über gewöhnliche katalytische Reaktionen zu komplexen chemischen Reaktionen. Nachstehend wird jedoch das Verfahren im Zusammenhang mit
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einer mit Fließbett ausgestatteten Brennkammer zum Verbrennen von Kohle mit hohem Schwefelgehalt beschrieben und dargestellt, wobei diese Brennkammer Wärme für einen Dampfkessel liefert und dabei giftige Abgase auf nahezu jeden gewünschten vernünftigen Gehalt reduziert werden können.
Eine gute Erörterung der Eigenschaften von Fließbetten zur Erzeugung von Energieprodukten wie Wärme und Brenngas aus Kohle wird in den US-Patentschriften 2.638.684, 2.665.2oo und 3.840.353 und in den dort angegebenen Literaturstellen beschrieben. Es wurde ein allgemeiner Typ einer Kohlevergasungsanlage vorgeschlagen, welcher ein sogenanntes "Beschickungsgut" aus einem praktisch inerten Material dazu verwendet, die Wärme von einem Heizkessel oder Verbrennungskessel zu einem Vergasungskessel zu transportieren. Gemäss der US-Patentschrift 2.654.665 wird als inertes Material Asche verwendet und durch das Verbrennen von Kohlenstoffteilchen aufgeheizt, welche mit der Asche in einem Verbrennungsraum oder in seiner Einlassleitung vermischt werden. Der Verbrennungsraum enthält ein Fließbett (Wirbelschicht), das bei einer Temperatur von etwa 1.o65 C betrieben wird. Es ist bekannt, dass Kohlenasche sich bei dieser Temperatur unter Bildung von wachsend grösseren Teilchen zusammenballt, wie dies in der US-Patentschrift 3.840.353 beschrieben wird. Die grossen Ascheteilchen verbleiben solange in dem Fließbett in der Brennkammer, bis sie durch eine Abzugsleitung ausgetragen werden, während die feineren Ascheteilchen mitgeführt und aus der Brennkammer herausgetragen werden. Sie werden von dem zur Erzeugung des Fließbettes verwendeten Gas abgetrennt, durch den Vergasungsbehälter geleitet, um Wärme für die endotherme Reaktion zu liefern und dann zu dem Verbrennungsraum zwecks erneuter Erhitzung zurückgeführt.
Gemäss einem weiteren Vorschlag für eine Vergasungsanlage des gleichen allgemeinen Typs nach der US-Patentschrift 2.741.549 enthält ein dichtes Fließbett in dem Verbrennungs-
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raum groben Sand. Die Geschwindigkeit des Gases wird dabei so gewählt, dass grobe Feststoffe in dem Bodenteil des Verbrennungs· raums verbleiben, während feine Feststoffe in dem Bodenteil eingebettet oder aufgenommen werden, und sich weiter nach oben bewegen zur Bildung einer dünnen dichten Wirbelschicht von feinen Feststoffteilchen über dem unteren dichten Fließbett. Die Ausbildung dieser Schicht wird dadurch bewirkt, dass der Behälter zur Verringerung der Gasgeschwindigkeit verbreitert wird und/oder durch Verwendung eines Siebes oder einer Turmpackung. Die feinen Feststoffteilchen in der Schicht werden dann über eine Leitung abgezogen und zur Wärmezufuhr in den Vergasungsbehälter eingeleitet.
Gemäss einem weiteren Vorschlag für eine Vergasungsanlage des gleichen allgemeinen Typs nach US-Patentschrift 2.979.39o sind in dem Erhitzungsbehälter und dem Vergasungsbehälter nur voll eingeschlossene Fließbette vorhanden und eine zusätzliche Wärmezufuhr für den Vergasungsbehälter wird durch einen Strom eines sogenannten "Wärmeträgers" (Thermophor) eingeleitet. Der Thermophor enthält Teilchen aus einem Material, das von Kohle und Asche leicht abgetrennt werden kann, eine hohe .Schmelztemperatur, eine hohe spezifische Wärme und eine hohe Dichte besitzt. Der Thermophor wird in einem getrennten Behälter auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der Asche erhitzt, durch das eingeschlossene Fließbett in dem Vergasungsbehälter geleitet, von der eingeschlossenen Kohle abgetrennt und durch seinen eigenen getrennten Erhitzungsbehälter zurückgeleitet. Diese Anordnung steht im Gegensatz zu der Anordnung nach der US-Patentschrift 2.638.684, in welcher ein dichtes Fließbett von inerten Materialien in dem Reaktor verbleibt, in dem die Kohleteilchen eingeschlossen sind, welche jedoch durch das dichte Fließbett im Kreisauf geführt werden.
Es gibt noch eine Anzahl von neueren Vorschlägen zur Schaffung kommerzieller Dampfkesselsysteme mit Fließbett. Gemäss einem
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dieser Vorschläge wird gemahlene Kohle in ein Bett aus Kalksteinteilchen eingebracht, in denen ein Fließbett oder eine Wirbelschicht mit Hilfe der Verbrennungsluft erzeugt wird. Der Kalkstein wirkt als Absorptionsmittel für den Schwefel in der Kohle, da sich der Schwefel mit dem Sauerstoff der Luft zur Bildung von Schwefeldioxyd verbindet und der Schwefeldioxyd mit dem Kalkstein unter Bildung von Kalziumsulfat reagiert. Das Kalziumsulfat kann dann zusammen mit der Asche der verbrannten Kohle entfernt werden. Gewünschtenfalls kann der Schwefel zurückgewonnen werden und der Kalkstein regeneriert werden.
Im Vergleich mit konventionellen Dampfkesseln, welche mit pulverisierter Kohle beheizt werden, bieten Fließbettsysteme die Vorteile einer geringeren Grosse des Dampfkessel, eines grösseren Wirkungsgrades und grösserer Flexibilität und weiterhin der Möglichkeit zur Verbrennung von Kohlesorten, welche in hohem Masse zum Zusammenbacken neigen. Weiterhin ergibt sich bei ihnen eine verringerte Emission von NO und von SC>2 und eine verminderte Korrosion und Verschmutzung der Dampfrohre, da sie bei einer niedrigeren Temperatur, das heisst bei einer Temperatur in der Umgebung von etwa 845 C arbeiten, wodurch der Wirkungsgrad der Reaktion zur Bildung von CaSO* optimiert wird.
Brennkammern mit Fliessbett, welche gemäss den Verfahren nach der Erfindung betrieben werden, behalten diese Vorteile bei und liefern zusätzliche weitere Vorteile einschliesslich einer weiteren Verringerung der Dampfkesselabmessung und der erforderlichen Wärmeübergangsfläche. Wegen dieser Verringerung der Abmessungen ist eine bedeutende Reduzierung der Investitionskosten für Dampfkesselsysteme in der Industrie möglich und weiterhin die Einsparung von Materialien für die Konstruktion, Arbeitskosten und Transportkosten. Weiterhin ist es möglich, die Notwendigkeit zum Zusammenbau vieler Dampf-
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kesselanlagen an Ort und Stelle zu vermeiden; diese können vielmehr sehr kompakt aufgebaut sein, in der Fabrik hergestellt werden und dann mit der Bahn oder mit einem Lastwagen transportiert werden.
Die Erzeugung einer hohen Wärmeabgabe in einer kompakten Anlage bedingt einen hohen Kohledurchsatz und dieser erfordert wiederum ein hohes Luftvolumen pro Zeiteinheit zur Verbrennung der Kohle, das heisst die durch das Fließbett strömende Luft muss eine hohe Geschwindigkeit besitzen. Diese Luft und die entstehenden Verbrennungsgase dienen auch noch als Fliessmittel zur Bildung des Fließbettes und ihre Geschwindigkeit wird allgemein durch den Ausdruck "oberflächliche Geschwindigkeit" (Geschwindigkeit des Trägergases bezogen auf Leerrohr) bezeichnet. Diese oberflächliche Geschwindigkeit wird dadurch berechnet, dass das pro Zeiteinheit durch die Brennkammer fliessende Gasvolumen durch den Querschnitt der Brennkammer senkrecht zur Hauptrichtung des Luftstroms geteilt wird. Daher stellt diese oberflächliche Geschwindigkeit die Geschwindigkeit dar, welche das Gas bei einer leeren Brennkammer besitzen würde, in welcher die normalerweise vorhandenen Teilchen des Fließbettes nicht enthalten sind.
Frühere Fließbett-Dampfkesselbrennkammern waren allgemein auf den Betrieb mit Oberflächengeschwindigkeiten von nicht mehr als etwa 3 bis 4,2 5 m/s und gewöhnlich auf bedeutend geringere Geschwindigkeiten beschränkt, da bei hohen Geschwindigkeiten beträchtliche Mengenanteile der Kohlenstoffteilchen und der Kalksteinteilchen ausgetragen oder aus dem Verbrennungs· raum herausgeblasen werden, bevor sie vollständig verbrannt oder sulfatiert werden können. Andererseits wurde eine Brennkammer sehr zufriedenstellend gemäss der Erfindung betrieben mit einer Oberflächengeschwindigkeit von mehr als etwa 9 m/s und es ist kein ersichtlicher Grund dafür vorhanden, dass die Geschwindigkeit nicht auf etwa 3o m/s oder einen ähnlichen
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Wert mit geeigneter Anpassung der anderen Betriebsparameter erhöht werden kann.
Gemäss einem typischen Verfahren werden anstelle des konventionellen Kalksteinbettes in der Brennkammer zwei Komponenten aus festen Teilchen verwendet, wobei mindestens eine der Komponenten im wesentlichen aus einem Material besteht, welches in dem Brennkammersystem eine physikalische und chemische Langzeitstabilität besitzt. Ein bestimmtes Material, das zur Bildung einer oder beider Komponenten erfolgreich benutzt wurde, ist ein Hämatiterz, das etwa 93% Eisenoxyd Fe?*-1·* enthält und von der C.E. Minerals, Inc., in King of Prussia, Pennsylvanien unter dem Handelsnamen "Speculite" geliefert wird. Die erste Komponente enthält "feine " Teilchen dieses Erzes mit einer Teilchengrösse entsprechend -16 + 14o U.S. Maschen pro Zoll (entspricht einer lichten Maschenweite von etwa 1,oo mm bzw. o,11 mm); das heisst, die Teilchen gehen durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von etwa 1,oo mm (entspricht 16 Maschen pro Zoll) hindurch und gehen durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von etwa o,11 mm (entspricht 14o Maschen pro Zoll) nicht hindurch. Ein geeignetes anderes Teilchen für die erste Komponente kann Kalksteinteilchen im Bereich der Teilchengrösse entsprechend einer lichten Maschenweite von etwa o,84 mm bis o,42 mm (-2o/+4o U.S. Maschen pro Zoll). In beiden Fällen besteht die zweite Komponente aus "groben" Teilchen des Materials "Speculite" mit einer Teilchengrösse entsprechend einer lichten Maschenweite im Bereich von etwa 1,45 mm bis 1 ,oo mm (entsprechend -12/+16 U.S. Maschen pro Zoll). Das Bettsystem, welches diese feinen und groben Teilchen enthält, wird mit Gas .von einer "Oberflächengeschwindigkeit" von etwa 9 m/s verwirbelt.
Bei diesQr Geschwindigkeit werden die feinen Teilchen aus Hämatit oder Kalkstein mit dem Luftstrom mitgeführt und bilden
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ein Fließbett oder eine Wirbelschicht, welche in starkem Masse ausgedehnt wird und praktisch den gesamten Raumbereich ausfüllt, welcher von der Hauptbrennkammer und ihrer Auslassleitung umschlossen wird. Die groben Hämatitteilchen sind zu schwer, um mitgeführt zu werden. Sie bilden vielmehr ein dichtes Fliessbett, das in einem begrenzteren Raumbereich am Boden der Hauptbrennkammer zurückgehalten wird. Die feinen Teilchen werden aus der Hauptbrennkammer heraus und in einen Separator oder Abscheider getragen, beispielsweise einen Zyklonabscheider, durch welchen die feinen Teilchen aus dem tragenden Gasstrom entfernt und in einen Rückführungskreislauf eingegeben werden. Der Rückführungskreislauf führt die feinen Teilchen durch das dichte Fließbett zurück. Daher ist ein kontinuierlicher Rückführungsstrom von mitgeführten feinen Teilchen durch die verwibelte Masse der groben Teilchen hindurch vorhanden.
In das dichte Fließbett, welches die miteinander vermischten groben und feinen Teilchen enthält, wird gemahlene Kohle eingeleitet und zur Wärmeerzeugung verbrannt. Die Wärme wird dadurch abgeführt, dass ein Wärmeübertragungsmittel, beispielsweise Wasser, in Siederohren durch den Bereich des mit dem Gasstrom bewegten Fliessbettes und auch durch den Bereich des dichten Fließbettes geleitet wird. Zusammen mit der Kohle wird pulverisierter Kalkstein mit einer typischen Teilchengrösse eingebracht, die kleiner ist als eine lichte Maschenweite von etwa o,o44 mm (entsprechend-325 U.S. Maschen pro Zoll). Die Temperatur in der Brennkammer wird auf etwa 845° C gehalten, um die Wirksamkeit des Kalksteins als Absorptionsmittel für Schwefel zu steigern.
Die zahlreichen Vorteile eines Fließbett-Dampferzeugers, welcher nach dem erfindungsgemässen Verfahren betrieben wird, können durch eine Betrachtung seiner Merkmale erläutert werden. Die rezirkulierenden feinen Teilchen der Komponente des Fließbettes, welche das dichte Fließbett durchdringen, ergeben schein-
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bar eine in hohem Masse gleichförmige Wirbelbettbildung und reduzieren Zusammenballungen des Materials auf ein Minimum. Die turbulente Bewegung der vermischten Teilchen ergibt eine gründliche Durchmischung und einen innigen Kontakt zwischen den gasförmigen und festen Reaktionsteilnehmern, welche in das dichte Fliessbett eingeleitet werden. Obwohl die "Oberflächengeschwindigkeit" höher ist als bei irgendeinem früheren Verfahren, verzögern die miteinander vermischten Fließbett-Teilchen die Bewegung der Teilchen der Kohle und des pulverisierten Kalksteins in der Hauptrichtung des Luftstroms in beträchtlichem Masse. Daher werden die Kohleteilchen in dem dichten Fließbett während einer genügend langen Zeit gehalten, so dass der Hauptteil der Kohleteilchen vollständig verbrennen kann, bevor sie aus dem Bereich des dichten Fließbettes herausgetragen werden. In ähnlicher Weise ist die Verweilzeit der Teilchen des pulverisierten Kalksteins ausreichend gross, so dass seine Wirksamkeit als Absorptionsmittel gewährleistet ist.
Es ist ersichtlich, dass die zur Reaktion mit dem Schwefeldioxyd bei einem gegebenen Gesamtgewicht an Kalkstein verfügbare Kalksteinoberfläche in hohem Masse gesteigert werden kann durch feineres Vermählen, wie es im Falle des in der Landwirtschaft verwendeten Kalksteins durchgeführt wird. Zuvor war es jedoch nicht möglich, den feingemahlenen Kalkstein in Fließbettbrennkammern mit hoher Geschwindigkeit zu verwenden, da diese feinen Teilchen einfach aus der Brennkammer heraus geblasen wurden, bevor sie irgendeine bedeutende Menge an Schwefel aufnehmen konnten. Daher wurde gemäss der grössten Zahl der früheren Vorschläge grober Kalkstein verwendet und man stützte sich dabei auf die Abtragung am Kalkstein, um ständig neue freiliegende Oberflächen zu erhalten. Kalkstein mit befriedigenden Abtragungsmerkmalen ist jedoch nicht in allen Teilen der Welt leicht erhältlich. Die erfindungsgemässen Verfahren machen es möglich, Kalkstein aus
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allen Teilen der Welt in einem Fließbett zu verwenden, ohne Rücksicht auf seine Abtragungsmerkmale.
Die vergrösserte Verweilzeit für die feinen Kohleteilchen oder die pulverisierten Kalksteinteilchen in dem Bereich der Brennkammer mit dem dichten Fließbett, wenn diese gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren mit hohen "Oberflächengeschwindigkeiten" betrieben wird, beruht möglicherweise darauf, dass die groben Teilchen des Bettes die mittlere freie Weglänge der feinen Teilchen des Bettes begrenzen und beide Bettkomponenten die mittlere freie Weglänge der Teilchen der Kohle und des Kalksteins im Bereich des dichten Fließbettes begrenzen.
Die Verwendung von fein gemahlenem pulverisierten Kalkstein als Absorptionsmittel für Schwefel, wie sie durch das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht wird, verringert zu einem gewissen Masse den Verbrauch an Kalkstein und verringert damit die Menge des zu beseitigenden resultierenden sulfatierten Kalksteins. Der Ausnutzungsgrad des Kalksteins wird noch weiter verbessert durch den Mahleffekt des Hämatits, der ständig frische Kalksteinoberflächen für die Absorption von Schwefeldioxyd liefert.
Bei einem Fließbett-Dampferzeuger, welcher nach den erfindungsgemässen Verfahren betrieben wird, werden der hohe Durchsatz pro Volumeneinheit und die hohe WärmefreiSetzung pro Zeiteinheit teilweise durch die hohe Wärmeübergangsgeschwindigkeit über dem gesamten Volumen der Hauptbrennkammer erreicht einschliesslich des Volumens, das normalerweise einen Freiraum oberhalb des dichten Fließbettes bildet. Dieser Freiraumbereich und auch der Bereich des dichten Fließbettes können Dampfrohre enthalten, welche einen hohen Wärmezustrom erhalten, welcher durch die feinen Teilchen der Fließbett-Komponente übertragen wird, die in dem Gasstrom mitgeführt werden und dadurch den gesamten Raum mit den Dampfrohren durchdringen.
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Trotzdem kann ein erfindungsgemäss betriebener Dampferzeuger mit Fließbett hohe Verhältnisse für die Leistungsverminderung ermöglichen und kann daher gemäss in weitem Umfang schankenden Lastbedingungen gefahren werden. Durch Verringerung der pro Zeiteinheit zugesetzten Kohlemenge und des entsprechenden Luftstroms kann der Dampferzeuger solange abgedrosselt werden, bis er mit niedriger Wärmeerzeugung und als konventionelles Fließbett arbeitet, wobei dann die feinen Teilchen des Bettes nicht mehr mit dem Gasstrom mitgeführt werden.
Erfindungsgemäss wird ein Verfahren zum Betrieb von Fließbettsystemen geschaffen, das die Bildung eines im Gasstrom mitgeführten Fließbettes in einem ersten Raumbereich beinhaltet, welcher eine erste feste Bett-Teilchenkomponente enthält, sowie die Bildung eines dichten Fließbettes in einem begrenzteren Raumbereich innerhalb des ersten Bereiches, welches ein zweites festes Bett-Komponententeilchen enthält, das im wesentlichen ein Material mit einer physikalischen und chemischen Langzeitstabilität in dem Fließbettsystem enthält, so dass sich die Komponenten praktisch nicht zusammenballen und keiner wesentlichen Abtragung in dem Fließbett unterliegen, wobei weiterhin ein Rezirkulationsweg für die erste Teilchenkomponente aus dem ersten Raumbereich durch das dichte Fließbett in dem begrenzteren Raumbereich vorgesehen wird und das Fließbettsystem mit einer solchen Geschwindigkeit betrieben wird, dass die Teilchen der zweiten Komponente wirksam in dem dichten Fließbett in dem begrenzteren Raumbereich zurückgehalten werden, während die Teilchen der ersten Komponente rezirkulieren und den gesamten Raum durchdringen und sich mit den Teilchen der zweiten Komponente vermischen.
Typischerweise ist das Verfahren geeignet zur Förderung einer Reaktion mit hohem Wirkungsgrad zwischen mindestens zwei Reaktanten und umfasst die Einleitung der Reaktanten in das Fließbettsystem in einer solchen Weise, dass man eine gründliche
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Durchmischung der Reaktanten als Resultat der Bewegung der miteinander vermischten Teilchen in dem dichten Fließbett erhält. Mindestens einer der Reaktanten kann ein gasförmiges Material sein und in diesem Falle umfasst das Verfahren die Wirbelbildung in dem Fließbettsystem mit Hilfe dieses gasförmigen Materials. Der andere Reaktant kann ein festes teilchenförmiges Material sein, welches mit dem gasförmigen Material mit einer vorgegebenen Durchsatzgeschwindigkeit reagieren soll, und das Verfahren umfasst typischerweise die Einleitung des festen Reaktanten in das Fließbettsystem mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit, die Wirbelbildung in des Fließbettsystem bei einer solchen "Oberflächengeschwindigkeit", dass der gasförmige Reaktionsteilnehmer mit einer Durchsatzmenge zugeführt wird, welche zur Erzielung einer praktisch vollständigen Reaktion mindestens eines der zugeführten Reaktanten ausreichend ist, und weiterhin werden die Teilchenkomponenten für das Bett so ausgewählt, dass die Teilchen der ersten Komponente bei dieser "Oberflächengeschwindigkeit" mit dem Gasstrom mitgeführt werden, während die Teilchen der zweiten Komponente wirksam in den dichten Fliessbett in dem begrenzteren Raumbereich zurückgehalten werden.
Die festen Reaktanten können Teilchen enthalten, welche bei der "Oberflächengeschwindigkeit" in dem Gasstrom mitgeführt werden können, und das Verfahren umfasst typischerweise die Verwendung einer solchen Menge der Teilchen der zweiten Bettkomponente, welche in ausreichendem Masse die Bewegung der Reaktantenteilchen beschränkt, so dass eine Verweilzeit derselben in dem dichten Fliessbett bewirkt wird, bei der der Hauptteil mindestens eines der Reaktanten in diesem begrenzteren Raumbereich vollständig umgesetzt wird. Einer der Reaktanten kann ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff sein und das Verfahren umfasst typischerweise dann die Ableitung eines Energieproduktes aus dem Fliessbettsystem. Der kohlenstoffhaltige Brennstoff kann in dem Fließbettsystem zur Erzeugung von
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Wärme als Energieprodukt verbrannt werden.
Die Wärmeenergie kann dadurch abgeführt werden, dass ein Wärmeübertragungsmittel durch Dampfrohre in dem ersten Raumbereich geleitet wird.
Das Verfahren kann auch noch die Durchleitung eines Wärmeübertragungsmittels» durch mindestens einen Teil des Rezirkulationsweges umfassen, wodurch die in den Teilchen der ersten Komponente enthaltene Wärme auf das Medium übertragen wird.
Wenn der feste Reaktionsteilnehmer oder Reaktant im wesentlichen Kohleteilchen enthält und der gasförmige Reaktant im wesentlichen Luft umfasst, dann umfasst das Verfahren typischerweise das Verbrennen der Kohle in dem Fließbettsystem, eine solche Auswahl der Menge Teilchen der zweiten Komponente des Bettes, dass der Hauptteil der Kohle in dem dichten Fließbett verbrannt wird, und die Abführung von Wärmeenergie aus dem Fließbettsystem. Dies wird typischerweise dadurch bewerkstelligt, dass ein Wärmeübertragungsmittel durch mindestens einen Teil des ersten Raumbereiches ausserhalb des begrenzten Raumbereiches geführt wird und die Menge der Teilchen der ersten Bettkomponente so gewählt wird, dass man eine maximale Geschwindigkeit des Wärmeübergangs auf das Mittel erhält. Typischerweise wird das Wärmeübertragungsmittel auch noch durch den begrenzteren Raumbereich geleitet.
Typischerweise umfasst das Verfahren die Abführung der Wärmeenergie mit einer Geschwindigkeit, welche ausreicht, um die Temperatur des Fließbettsystems praktisch unterhalb des Schmelzpunktes der aus den Kohleteilchen gebildeten Asche zu halten, wodurch im wesentlichen die gesamte Asche mit den festen Teilchen der ersten Bettkomponente mitgeführt wird, und anschliessend wird die Asche von den festen Teilchen der ersten Bettkomponente in dem Rezirkulätionsweg ausserhalb des begrenzteren
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Raumbereiches abgetrennt.
Der kohlenstoffhaltige Brennstoff kann Schwefel enthalten und das Verfahren enthält typischerweise die Eingabe eines Absorptionsmittels für Schwefel in das Fließbettsystem. Das Absorptionsmittel für Schwefel besteht typischerweise aus einem Karbonat von Kalzium und/oder Magnesium, wie sie beispielsweise in Kalkstein oder Dolomit enthalten sind, wobei dieses Material eine Teilchengrösse in einem Bereich entsprechend einer lichten Maschenweite des Siebes von etwa o,15 bis o,o44 mm (entsprechend -1oo bis -325 U.S. Maschen pro Zoll) besitzt. Das dichte Fliessbett wird typischerweise auf einer Temperatur im Bereich von etwa 76o° C bis 955 C gehalten. Das Verhältnis des Kalziums in dem in das System eingegebene Karbonat zu dem Sclwefel in dem in System eingebrachten kohlenstoffhaltigen Brennstoff beträgt typischerweise 1-3 Mole Kalzium auf 1 Mol Schwefel.
Typischerweise können die ersten und zweiten Bett-Teilchenkomponenten im wesentlichen aus dem gleichen Material bestehen, wobei die erste Komponente aus feineren Teilchen und die zweite Komponente aus gröberen Teilchen besteht.
Typischerweise besitzt mindestens die zweite Bett-Teilchenkomponente eine höhere Temperaturstabilität, ist unter den Betriebsbedingungen des Fließbettsystems praktisch inert und wird ausgewählt zur Erzielung einer guten Qualität der Wirbelschichtbildung und zur Förderung einer wirksamen Durchmischung und eines wirksamen Wärmeübergangs in dem Bettsystem. Wenn in dem Fließbettsystem oxydierende Verhältnisse herrschen, dann enthalten die Bett-Teilchenkomponenten im wesentlichen Metalle und Metalloxyde, beispielsweise Eisenoxyde, wie sie beispielsweise in Hämatit enthalten sind. Die Komponenten können alternativ auch im wesentlichen aus Aluminiumoxyd oder Nickel oder Nickeloxyd bestehen. Die feineren Eisenoxydteilchen können eine Teilchengrösse in einem Bereich entsprechend der lichten
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M.aschenweite von etwa 1, oo bis o,11 mm (entsprechend einem Bereich von etwa -16 bis +14o U.S. Maschen pro Zoll) besitzen und die gröberen Teilchen können eine Teilchengrösse in einem Bereich entsprechend einer lichten Maschenweite von etwa 1,41 bis 1,oo mm (entsprechend etwa -12 bis +16 U.S. Maschen pro Zoll) besitzen. Typischerweise wird das dichte Fließbett in einem Behälter gehalten, welcher einen praktisch zylindrischen oder prismatischen Teil besitzt^und die Menge der gröberen Teilchen reicht aus, um diesen zylindrischen oder prismatischen Teil bis zu einer Tiefe von mindestens etwa 25 cm zu füllen, wenn in dem Bett keine Wirbelschicht erzeugt wird. Die "Oberflächengeschwindigkeit" des Fließbettes kann im Bereich von etwa 6 bis 12 m/s liegen.
In einer weiteren typischen Anordnung besteht die erste feste Bett-Teilchenkomponente im wesentlichen aus einem Karbonat des Kalzium, des Magnesium oder beider Elemente, wie es in Kalkstein oder Dolomit enthalten ist. In diesem Falle kann die zweite feste Bltt-Teilchenkomponente im wesentlichen aus einem Metall oder Metalloxyd bestehen, beispielsweise aus Eisenoxyd, wie es in Hämatit enthalten ist.
Alternativ hierzu besteht die zweite Bett-Teilchenkomponente im wesentlichen aus Aluminiumoxyd oder Nickel oder Nickeloxyd.
Die Teilehen der zweiten Bettkomponente können aus Hämatit mit einer Teilchengrösse im Bereich entsprechend einer lichten Maschenweite von etwa -1,41 bis +1,00 mm (entsprechend -12 bis *Ί6 U.S. Maschen pro Zoll) bestehen. Die Teilchen der ersten Komponente können aus Kalkstein mit einer Teilchengrösse im Bereich entsprechend der lichten Maschenweite von etwa o,84 bis o,42 mm (entsprechend -2o bis +4o U.S. Maschen pro Zoll) bestehen. Die "Oberflächengeschwindigkeit" des Fließbettsystems kann im Bereich von etwa 6 bis 12 m/s liegen, während ein Wärmeübertragungsmittel durch Dampfrohre in dem ersten Raum-
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bereich einschliesslich des begrenzteren Raumbereichs geleitet wird.
Typischerweise wird der Strom der festen Teilchen der ersten Bettkomponente in dem Rezirkulationsweg so begrenzt, dass ein Vorrat an Teilchen stromaufwärts von der StrömungsVerengung gebildet wird und dadurch in dem Vorratsraum eine Menge von Teilchen angesammelt wird, welche ausreichend ist, um einen Rückstrom in dem Rezirkulationsweg zu verhindern, welcher sich sonst aus dem Druck zur Wirbelschichtbildung ergeben könnte, welcher an dem dichten Fliessbett zugeführt wird. Bei einem Vorgang mit Aschebildung, bei dem die im Vorratsraum angesammelten Teilchen noch Restasche enthalten, umfasst das Verfahren typischerweise eine Wirbelschichtbildung der Teilchen in dem Vorratsraum zur selektiven Mitführung der Asche und zur Entfernung der mitgeführten Asche zwecks Beseitigung.
Die StrömungsVerengung, die Menge der Teilchen und die Geschwindigkeit zur Wirbelschichtbildung können dabei so ausgewählt werden, dass man eine passende Rezirkulationsgeschwindigkeit für die festen Teilchen der ersten Bettkomponente erhält, welche auch ausgedrückt werden kann in kg/h m Querschnitt des dichten Fließbettes senkrecht zur Hauptrichtung der Bewegung der Teilchen der ersten Komponente durch das Bett. Diese Rezirkulationsgeschwindigkeit kann dann so gewählt werden, dass sie ausreichend ist, um praktisch eine maximale Gesamtwärmeübergangsgeschwindigkeit in dem ersten Raumbereich zu erhalten.
Wenn die Luft mit einem kohlenstoffhaltigen Brennstoff zur Reaktion gebracht wird, dann umfasst das erfindungsgemässe Verfahren typischerweise die Zufuhr eines Teils der Luft zu dem dichten Fliessbett mit einer Geschwindigkeit , welche zur Wirbelschichtbildung der Teilchen der zweiten Komponente in dem Bett ausreichend ist und ausreicht zur Aufrechterhai-
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tung der Zirkulation der Teilchen der ersten Komponente durch das System, wobei gleichzeitig mindestens der Hauptteil des dichten Bettes in einem Betrieb mit SäuerstoffUnterschuss betrieben wird. Weiterhin wird ein weiterer Teil der Luft in das im Gasstrom mitgeführte Bett eingeleitet, so dass mindestens der Hauptteil dieses mitgeführten Bettes in der Betriebsart mit Sauerstoffüberschuss betrieben wird. Ein Wärmeübertragungsmittel kann durch mindestens einen Teil des ersten Raumbereiches ausserhalb des begrenzteren Raumbereiches geleitet werden, um aus demselben die Wärme abzuführen.
Nachstehend werden im Zusammenhang mit den Abbildungen beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens beschrieben.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer typischen Fliessbett-Dampferzeugungsanlage, welche für den Betrieb nach dem erfindungsgemässen Verfahren eingerichtet ist.
Die Figur 2 zeigt eine vergrösserte schematische Darstellung der Hauptbrennkammer, des Abscheiders und des Rezirkulationssystems der Anlage nach Figur 1 mit weiteren Einzelheiten.
Die Figur 3 ist eine schematische Darstellung und zeigt eine Abwandlung der Anlage nach Figur 2, bei der in dem Rezirkulationsweg für die im Gasstrom mitführbaren Teilchen der Fliessbettkomponente eine Wärmeaustauscherζone vorgesehen ist.
Die Fig.ur 4 zeigt eine schematische Darstellung aus der ersichtlich ist, wie das Fließbettsystem nach Figur 2 für eine zweistufige Verbrennung eingerichtet werden kann.
Nachstehend werden im Zusammenhang mit den Abbildungen typische Ausführungsformen erläutert. Ein typisches Fließbettsystem, welches nach dem Verfahren gemäss der Erfindung betrieben werden kann, ist zur Verbrennung von Kohle mit hohem Schwefelgehalt
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aus einem Vorratsspeicher 1o und zur Erzeugung eines Wärmenergieproduktes in Form von Hochdruckdampf zu einem Dampfleitungssystem 12 eingerichtet. Ein weiteres Rohmaterial in der Form von pulverisiertem Kalkstein (hauptsächlich CaCO.,) oder Dolomit (hauptsächlich CaMg(CCU)2) aus dem Vorratsspeicher 14 wird als Absorptionsmittel verwendet, um den Schwefel in der Kohle aufzunehmen und die Emission von Schwefeldioxyd durch die Schornsteingase auf einen annehmbaren Wert zu beschränken.
Die Kohle wird in einer Hauptbrennkammer 16 verbrannt. In diese Brennkammer 16 wird gemahlene Kohle über eine Leitung 18 eingeleitet, wobei die Kohle in einem Strom verdichteter Luft mitgeführt wird. Die Leitung 18 wird auch zum Einbringen von pulverisiertem Kalkstein verwendet. Die gemahlene Kohle und der Kalkstein werden aus entsprechenden Vorratstrichtern oder Schütten 2o und 22, welche für einen kurzen Zeitraum bemessen sind (4 Stunden), zugeführt und das Material wird durch konventionelle Sternaufgabevorrichtungen oder Aufgabevorrichtungen anderer Bauart (nicht gezeigt) abgemessen aufgegeben. Der Vorrat an Kalkstein und an Kohle wird über Fördereinrichtungen 24 und 26 ergänzt. Der Kalkstein in dem Vorratsspeicher 14 kann handelsmässig erhältlicher pulverisierter Kalkstein für die Verwendung in der Landwirtschaft sein. Die Kohle in dem Vorratsspeicher 1o muss jedoch möglicherweise an Ort und Stelle durch eine Mahlanlage 2 8 gemahlen werden, welche durch ein Förderband 3o versorgt wird.
Die Luft zur Unterhaltung der Verbrennung der Kohle und auch zur Wirbelschichtbildung in den noch nachstehend beschriebenen Fließbetten wird über eine Leitung 34 aus einem geeignetem
2 Gebläse 32 unter einem Druck von etwa o,28 kg/cm oder darüber geliefert. In dem Gasstrom durch die Hauptbrennkammer 16 aufgenommene Feststoffe werden durch einen primären Abscheider 36, einen sekundären Abscheider 38 und einen elektrostatischen Abscheider 4o ausgeschieden. Die von dem sekundären Abscheider 38, dieser ist typischerweise ein Zyklonabscheider, und die von dem elektrostatischen Abscheider 3o ausgeschiedenen Fest-
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stoffe bestehen im wesentlichen aus Asche, welche durch Fallrohre 42 und 44 zu einer Aseheablagerung 46 geleitet werden. Die Arbeitsweise des primären Abscheiders 36 wird noch nachstehend näher beschrieben.
Bevor die Verbrennungsgase durch die Abzugsleitung 48 an den Schornstein abgegeben werden, werden sie durch einen Wärmeaustauscher 5o geführt, in dem der grösste Teil ihrer verbleibenden Wärme auf das Kesselspeisewasser übertragen wird, welches über ein Rohr 52 eintritt. Das erwärmte Speisewasser wird dann über ein Rohr 54 einem Speisewasserkessel 56 zugeführt, um irgendwelche Wasserverluste im Dampfkessel auszugleichen. Das aus dem Dampfleitungssystem 12 zurückgeführte Kondensat und das zugeführte Speisewasser werden über einen konventionellen Verteiler (nicht gezeigt) einem Satz von Dampfkesselrohren bei 58 zugeführt. Wegen der Deutlichkeit der Darstellung wird nur das eine Rohr 58 gezeigt. Es ist ein U-förmiges Rohr und erhält Wasser von dem Speisewasserverteiler an dem einem Ende 58a. Es verläuft dann nach unten in die Hauptbrennkammer und kehrt dann nach oben zurück und leitet Dampf durch sein anderes Ende 5 8b zu einem Dampfverteiler und einem Dampfkessel (nicht gezeigt), welche mit dem Dampfleitungssystem 12 verbunden sind.
Wie noch im einzelnen in der Figur 2 dargestellt, wird hauptsächlich in der Hauptbrennkammer 16 ein im Gasstrom mitgeführtes Fließbett in einem ersten Raumbereich I gebildet, welches eine erste feste teilchenförmige Bettkomponente 6o enthält. In einem begrenzteren Raumbereich II im Innern des ersten Bereiches I wird auch noch ein dichtes Fließbett erzeugt, das eine zweite Bettkomponente aus festen Teilchen enthält. Die Teilchen, beispielsweise bei 62, dieser zweiten Komponente bestehen im wesentlichen aus einem Material mit einer physikalischen und chemischen Langzeitstabilität in dem Fließbettsystem, so dass sie im wesentlichen nicht agglomerieren und nicht einer wesentlichen Aufzehrung oder Abtragung in dem Fließbett unterliegen.
Die erste Teilchenkomponente 60 wird in dem Gasstrom durch die Brennkammer 16 mitgeführt. Der Gasstrom entsteht durch die bei 64 in einem Verteiler oberhalb eines Sammelraums 6 8 indizierte Luft, wobei der Sammelraum die Luft über die Leitung 34 von dem Gebläse 32 erhält. Die Teilchen der Komponente 60 werden über eine Leitung 7o aus dem Brenner heraus und in den primären Abscheider 36 getragen. Der Abscheider 36 ist hier als Zyklonabscheider dargestellt, welcher nahezu die gesamten Teilchen der ersten Komponente aus dem Gasstrom entfernt, bevor das Gas durch eine Leitung 72 austritt.
Der Abscheider 36 bildet zusammen mit einer Vorratskammer und einer Leitung 76 für die Rezirkulation einen Rezirkulationsweg für die erste Teilchenkomponente 60 aus dem ersten Raumbereich I durch das dichte Fließbett in dem begrenzteren Raumbereich II. Die "Oberflächengeschwindigkeit" des Bettsystems wird dabei so gewählt, dass die Teilchen der zweiten Komponente 62 in dem dichten Fließbett zurückgehalten werden, während die Teilchen der ersten Komponente 60 rezirkulieren und durch das dichte Fließbett hindurchdringen, wobei sie sich mit den Teilchen der zweiten Komponente vermischen.
In dem Brennkammersystem sind die Hauptreaktanten die über die Leitung 18 zugeführten teilchenförmige Kohle und die über die Leitung 34 zugeführte Luft. Diese Reaktanten und auch noch der über die Leitung 18 zugeführte pulverisierte Kalkstein werden in Folge der Wirbelbewegung der vermischten Teilchen in dem dichten Fließbett gründlich miteinander gemischt. Die Kohle und der Kalkstein werden an einem Punkt oberhalb des Verteilereinsatzes 66 und unterhalb der Dampfkesselrohre beispielsweise bei 5 8 eingeleitet, so dass ein beträcht-
1-1- ,, , τλ Τ.-Ϊ. - *. ■ s.u. ,BeeinträchtiCTung. liches Mass der Durchmischung eintritt,ohne / infolge der Anwesenheit der Dampfkesselrohre, bevor die Reaktanten nach oben in den Bereich der Rohre geführt werden.
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Typischerweise kann die Hauptbrennkammer 16 eine Höhe von etwa 6 m besitzen mit einem ausreichend grossei quadratischen Querschnitt, so dass die Anzahl der Dampfkesselrohre untergebracht werden kann, welche erforderlich ist um die benötigte maximale Ausgangswärme abzuführen, welche etwa bei der optimalen Temperatur des dichten Fließbettes im Bereich von etwa 79o bis 955° C auftritt. Typischerweise können die Dampfkesselrohre bei 5 8 einen Durchmesser von etwa 5 cm und einen Abstand bis herunter zu etwa 5 cm besitzen. Es ist möglich, die Rohre so anzuordnen, dass mehr Rohre pro Einheit der Querschnittsfläche am Oberteil der Brennkammer im Bereich I, jedoch ausserhalb des Bereiches H^ vorhanden sind als in dem Unterteil der Brennkammer im Bereich des dichten Fließbettes, da das im Gasstrom mitgeführte Fließbett leichter durch die engeren Zwischenräume zwischen den Rohren strömen kann. Wegen der niedrigen Temperatur und des hohen Kühlwirkungsgrades der Fließbette kann die Brennkammer 16 eine einfache Stahlummantelung besitzen, welche gewünschtenfalls an der Aussenseite mit einem feuerfestem Gewebe oder mit feuerfesten Steinen isoliert ist.
Die vorgegebene maximale Menge der in der Zeiteinheit zugeführten Kohle ist so bemessen, dass sie ausreicht, um die maximal gewünschte Wärmeabgabe zu erzeugen. Die Einsatzmenge des Luftstroms über die Leitung 34 und das Verteilerstück 66 muss dann so bemessen werden, dass sie ausreicht, um eine praktisch vollständige Verbrennungsreaktion der Kohle zu bewirken. Es wurde gefunden, dass ein Sauerstoffüberschuss von etwa 2ol über dem für die Oxydation der Kohle zu CO2 benötigten Sauerstoff erforderlich ist, um einen befriedigenden hohen Wirkungsgrad für die Verbrennung zu erhalten, und dieser Gesichtspunkt wird bei der Festlegung der zuzuführenden erforderlichen Luftmenge berücksichtigt.
Die maximal zugeführte Luftmenge bestimmt ihrerseits die maxi-
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male "Oberflächengeschwindigkeit" für das Fließbettsystem. Auf der Basis dieser maximalen "Oberflächengeschwindigkeit" werden die Teilchenkomponenten für das Fließbett so gewählt, dass die Teilchen der ersten Komponente 60 im Gasstrom mitgeführt werden und andererseits die Teilchen der zweiten Komponente in dem dichten Fließbett in dem begrenzterem Raumbereich II zurückgehalten werden. Unter der Annahme, dass ein geeignetes Material ausgewählt wurde, beispielsweise das Mineral Speculite (Hämatit) gemäss der vorstehenden Beschreibung, können die benötigten Teilchengrössen mit guter Näherung durch rechnerische und graphische Berechnungen der Form ermittelt werden, wie sie in dem Aufsatz "Fluidized Bed Processing" von L. Reh, Chemical Engineering Progress, Vol. 67, No. 2, Februar 1971, Seite 58-63 beschrieben werden. Es wird auch noch auf die US-Patentschrift 3.565.4o8 verwiesen.
Für eine bestimmte Fließbettanlage können die aus der Berechnung erhaltenen Werte notwendigenfalls durch einige wenige Experimente verfeinert werden. Die Teilchen der zweiten Komponente 62 sind typischerweise geringfügig grosser als das grösste Teilchen, welches normalerweise in den Abscheider 36 ausgeblasen wird, und diese Teilchen besitzen einen engen Bereich für die Teilchengrössen. Die Teilchen für die erste Komponente besitzen typischerweise einen breiteren Bereich der Teilchengrösse und eine Teilchengrössenverteilung, welche sich von dem grössten Teilchen, das noch regelmässig in den Abscheider 36 ausgeblasen wird, über fortschreitend kleinere Teilchengrössen zu einer Teilchengrösse erstreckt, welche geringfügig grosser ist als das grösste Teilchen, das noch regelmässig in den zweiten Abscheider 38 herübergeblasen wird.
Zur Veranschaulichung wurde ein Arbeitsmodell aufgebaut, in dem die Brennkammer aus einem kreisringförmigen Stahlrohr mit einem Durchmesser von etwa 15 cm und einer Höhe von etwa 3 m gebildet wurde. Im übrigen war die Brennkammer sehr ähnlich
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der in Figur 2 gezeigten Anlage. Beim Betrieb mit einer "Oberflächegeschwindigkeit" von etwa 9 m/s bestanden beide teilchenförmigen Komponenten des Fließbettes aus dem Mineral Speculite. Die Teilchen der zweiten Komponente 62 besassen eine Verteilung der Teilchengrösse gemäss der nachstehend angegebenen Siebanalyse:
Lichte
(ca.)		 Maschenweite
in mm		 Maschen pro Zoll Gewichtsprozent
2,35 · - 1,68 -8 +1o ο,ο
1,68 · - 1 ,41 -1o +12 4,99
1 ,41 - 1 ,oo -12 +16 92,4o
1 ,oo - o,84 -16 +2o 2,25
o,84 - o,6o -2o +3o o,15
o, 6o -3o o,21
Die Siebanalyse für die Teilchen der ersten Komponente 6o ergab:
Lichte Maschenweite Maschen pro Zoll Gewichtsprozent (ca.) in mm
1,41 - 1 ,οο -12 + 16
1 ,oo ο,84 -16 + 2ο
ο,84 - ο,6ο -2ο + 3ο
ο,6ο - ο,44 -3ο +4ο
ο,44 - ο,18 -4ο + 7ο
ο,18 - ο,148 -7ο + 1οο
ο,148 - ο,11 -1οο + 14ο
ο,11 - ο,ο74 -14ο +2οο
oro74 - ο,ο44 -2οο + 324
Ο,ο44 325
2,5
14,2 17,8 35,4 9,7 7,4 ο,66 ο,62 ο,71
Die Menge der vorgesehenen Teilchen der zweiten Komponente
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62 ist typischerweise ausreichend, um die Bewegung der Kohleteilchen in der Hauptrichtung des Luftstroms zu hemmen und damit eine solche Verweilzeit der Kohleteilchen in dem dichten Fliessbett zu erhalten, dass der Hauptteil der Kohle im Bereich II vollständig verbrannt wird. Druckmessungen an Punkten entlang der Höhe der Brennkammer 16 zeigen, dass nahezu der gesamte Druckabfall in dem zur Wirbelschichtbildung verwendeten Gas oberhalb der Verteilerstückes 66 über die Länge des dichten Fliessbettes im Bereich Il erfolgt. Es wird daher gefolgert, dass die Verweilzeit eines mit dem Gasstrom mitführbaren Teilchens in dem im Gasstrom mitgeführten Fließbett möglicherweise relativ unbedeutend ist im Vergleich mit seiner Hauptverweilzeit in dem dichten Fließbett. Als weiteres Anzeichen hierfür wurde gefunden, dass die Verbrennung der unvollständig zur Reaktion gebrachten Kohleteilchen zu einem beträchtlichen Ausmass in dem primären Abscheider 36 erfolgt, wenn die Menge der Teilchen der zweiten Komponente zu stark verringert wird. Dies ist unerwünscht für den Fall des dargestellten Brennkammersystems mit Fließbett. In anderen Anwendungsfällen kann es jedoch zulässig oder sogar erwünscht sein, dass man einen Reaktionsteilnehmer mehrmals durch das System zirkulieren lässt, um die gewünschte Reaktion vollständig durchzuführen.
In einem System mit einer "Oberflächengeschwindigkeit" von etwa 6 bis 12 m/s und unter Verwendung der "groben" und "feinen" Teilchen des Minerals Speculite nach der vorstehenden Siebanalyse wird eine Menge der groben Teilchen 62 benötigt, welche ausreicht zur Füllung des zylindrischen oder prismatischen Teils der Brennkammer 16 auf eine Tiefe von mindestens etwa 25 cm (in dem Ruhezustand ohne Bildung einer Wirbelschicht oder eines Fließbettes), um das unerwünschte Verbrennen eines bedeutenden Teils der Kohle in dem primären Abscheider 36 zu verhindern. Andererseits muss eine wesentlich grössere Menge der Teilchen der zweiten Komponente 62 vermieden werden. Je mehr Teilchen 62 in dem dichten Fließbett vorhanden sind, desto grosser ist der Druckabfall, welcher
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über dem Bereich II bestehen muss, um eine gute Fließbettbildung oder Wirbelschichtbildung aufrecht zu erhalten und ein Zusammenballen der Teilchen zu vermeiden. Infolgedessen ist auch dann der Luftdruck grosser, welcher durch das Gebläse 32 geliefert werden muss und dies ergibt einen grösseren Leistungsverbrauch und einen grösseren Verschleiss in dem Gebläse .
Die Hauptfunktionen der ersten Teilchenkomponente 60 in dem dargestellten Brennkammersystem bestehen darin, einen hohen Wärmeübergang auf die Dampfkesselrohre in dem freien Bereich innerhalb des Bereichs oder der Zone I oberhalb des Bereiches II zu erzeugen, die Qualität der Wirbelschichtbildung in dem Bereich II für das dichte Fließbett zu steigern, die Durchmischung der Kohle, der Luft und des pulverisierten Kalksteins zu fördern, und dabei mitzuhelfen, die Reaktanten in der Brennkammer 16 solange festzuhalten, bis die Kohle im wesentlichen vollständig verbrannt ist und der grösste Teil des Schwefeldioxydes von dem Kalkstein absorbiert wurde. In dem dargestellten System besteht eine weitere wichtige Funktion der ersten Teilchenkomponente 60 darin, die Zweigleitung für die Rezirkulation abzudichten und dadurch die Notwendigkeit für eine rotierende Aufgabevorrichtung oder dergleichen zwischen dem Speichervorrat 74 und der Leitung 76 zu vermeiden.
Der am Boden des dichten Fließbettes im Bereich II zugeführte Luftdruck wird auch noch als Gegendruck an der Leitung 76 aufgegeben. Um die feinen Teilchen der Fließbettkomponente an der Bewegung aus dem Speichervorrat 74 durch die Leitung 76 und in die Hauptbrennkammer 16 gegen diesen Gegendruck zu hindern, wird in diesen Teilchen eine Wirbelschicht durch Luftinjektion in die Leitung 76 über einen durch den Pfeil angedeuteten Stutzen erzeugt. Um die injizierte Luft mit einem ausreichenden Antriebsdruck innerhalb der Leitung 76 auszustatten zwecks Aufrechterhaltung der Bewegung der Teilchen
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in die Brennkammer 16, wird eine Säule 77 von Teilchen angesammelt und in dem Speichervorrat 74 gehalten, wobei deren Tiefe ausreicht, um ein Austreten des Antriebsdrucks in der Leitung 76 in den Zyklonabscheider 36 zu verhindern. Der Vorrat von Teilchen wird dadurch aufrecht erhalten, dass der Strom der Teilchen aus dem Vorratsspeicher 74 in die Leitung 76 mittels eines Kugelventils 78 gesperrt wird. Die Stellung des Ventils steuert die Rezirkulationsgeschwindigkeit der Teilchen der ersten Komponente 6o durch das Brennkammersystem.
Typischerweise werden beim Anfahren der Brennkammer nur die groben Teilchen der zweiten Bettkomponente 62 zunächst in die Brennkammer 16 eingegeben, zusammen mit relativ grober Kohle, beispielsweise mit einer Teilchengrösse entsprechend der lichten Maschenweite zwischen 2,35 und 0,84mm. Diese wird solange verwendet, bis die Verbrennung eingeleitet ist und die Temperatur in der Brannkammer 16 auf einen Wert oberhalb etwa 76o C angestiegen ist. Danach kann feine Kohle oder ein unmittelbar im normalen Abbau erhaltenes Gemisch mit Teilchengrössen verwendet werden, die klein genug sind zur Einführung über die Leitung 18. Obwohl in der experimentellen Modellbrennkammer nur Kohleteilchen mit einer maximalen Grosse entsprechend einer lichten Maschenweite von ca. 2,35 mm verbrannt wurden wegen der kleinen Abmessung der Anlage, wird trotzdem angenommen, dass grössere Brennkammern Kohlesorten mit Teilchengrössen bis zu etwa einem Durchmesser von ca. 3 mm oder sogar 6 mm verwenden können.
Beim Anfahren der Brennkammer ist das Kugelventil 78 geschlossen und in der Brennkammer 16 sind keine feinen Teilchen der ersten Komponente 6o vorhanden, obwohl ein Vorrat derselben in dem Speicher 74 vorhanden sein kann, so dass der absteigende Zweig 74, 76 verschlossen ist, wenn das Ventil geöffnet wird. Bereits am Anfang oder zu irgendeinem Zeitpunkt können zusätzliche feine oder grobe Teilchen der Bettkomponenten
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in die Brennkammer 16 über eine Schütte oder einen Einfülltrichter 84 eingegeben werden. Ein Stutzen für Luftinjektion ist durch den Pfeil 86 bezeichnet und ist vorgesehen, um den Fluss der Teilchen aus dem Einfülltrichter in die Brennkammer 16 zu unterstützen.
Nachdem die Brennkammer einmal in Betrieb ist, kann das Ventil allmählich so lange geöffnet werden, bis die gewünschte Re-. Zirkulationsgeschwindigkeit erzielt wird. Dabei ist die Tatsache zu beachten, dass eine Mindesthöhe der feinen Teilchen in dem Speicher 74 benötigt wird, um den abfallenden Zweig der Leitung abzudichten und daß unter stationären Verhältnissen die feinen Teilchen in den Speicher 74 mit der gleichen Geschwindigkeit zurückgeführt werden, mit der sie durch das Ventil 78 austreten können. Daher ist für eine konstante Füllhöhe der Teilchen im Speicher 74 die ReZirkulationsgeschwindigkeit direkt proportional der Gesamtmenge der feinen Teilchen der ersten Komponente 6o, welche sich im Durchlauf durch das im Gasstrom mitgeführte Fließbett befindet. Beim Betrieb mit einer "Oberflächengeschwindigkeit" von etwa 9 m/s und bei Verwendung der feinen Teilchen des Minerals Speculate für die erste Bettkomponente 6o wurde gefunden, dass die Mindestfüllhöhe der Teilchen in dem Speicher 74 zur Abdichtung der Fall-Leitung etwa 45 cm betrug. Neben dieser Menge von feinen Teilchen, welche zur Abdichtung der Fall-Leitung benötigt wird, wurde nach den Ergebnissen der Untersuchung noch eine Mindestmenge für die Rezirkulation benötigt, welche äquivalent ist einer Absetzhöhe von etwa 3,7 cm ohne Wirbelschi chtbil dung in der Brennkammer 16. Diese Absetzhöhe ist erforderlich, um eine merkliche befriedigende Verbesserung der Wärmeübertragungskennwerte zu erhalten. Mit der Zufügung einer grösseren Menge von feinen Teilchen kann ein Ansteigen des Wärmeübertragungskoeffizienten erwartet werden, bis dieser dann schliesslich nicht mehr weiter ansteigt. Dabei kann der
2 Wärmeübertragungskoeffizient beispielsweise in Kalorien pro cm
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des Querschnitts des Dampfkesselrohrs pro Stunde pro 0C angegeben werden oder in britischen Wärmeeinheiten pro Quadratfuss
ο 2 ° des Dampfkesselrohrquerschnitts pro Stunde pro F (Btu/Ft hrF) Typischerweise wird eine genügende Menge der feinen Teilchen zugefügt, welche ausreicht zur Erzielung einer maximalen Gesamtwärmeübertragung auf die Dampfkesselrohre, ohne dabei eine unerwünschte Instabilität der Verbrennung, einen geringen Wirkungsgrad der Verbrennung, eine unerwünschte Zusammensetzung der Abgase oder eine Beeinträchtigung bei der Erzielung des gewünschten Abschaltverhältnisses zu erzeugen. Ein sehr befriedigender Betrieb wurde erreicht mit einer Menge der rezirkulierenden feinen Teilchen, welche ausreichend ist, um die Brennkammer 16 auf eine Absetzhöhe von etwa 6,3 bis 7,5 cm im Ruhestand und ohne Wirbelschichtbildung anzufüllen. Um die Überprüfung des vorhandenen Bestandes an feinen Teilchen und der Rezirkulation zu unterstützen, kann für den Speicher 74 eine Anordnung 88 mit "Sichtglas" vorgesehen werden.
Der Abscheider 36 ist typischerweise so ausgelegt, dass er praktisch die gesamten Teilchen der ersten Bettkomponente 6o abfängt und sie in den Speicher 74 zurückführt und gleichzeitig gestattet, dass soviel Asche wie möglich durch die Überströmleitung 72 in den Abscheider 38 abgegeben wird. Der grösste Teil der Asche, welcher unvermeidlich in den Speicher 74 fällt und mit den feinen Bett-Teilchen 6o in der Säule 77 vermischt wird, wird von den darin enthaltenen Bett-Teilchen dadurch abgetrennt, dass eine Asehe-Fall-Leitung 9ο vorgesehen ist, welche in dem oberen Teil des Speichers 74 mündet und eine Wirbelschichtbildung in der Säule 77 vorgenommen wird, wozu verdichtete Luft durch einen oder mehrere Luftinjektionsstutzen gemäss dem Pfeil 82 eingeleitet wird.
Die Teilchen der ersten Komponente 6o und die Teilchen der zweiten Komponente 62 bestanden bei einer befriedigenden Arbeitsweise der Anlage im wesentlichen aus Eisenoxyd, wie es
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in dem Mineral Speculite enthalten ist. Dieses Material besass in der erhältlichen Form viele scharfe Kanten an den Teilchen und daher wurde gefunden, dass zunächst ein Abtragungsverlust von etwa 8,2% während der ersten fünf Betriebsstunden eintritt. Danach verringerte sich der Verlust auf einen unwesentlichen konstanten Abtragungswert von etwa o,2 5% pro Tag, und zwar nach dem Abschleifen der scharfen Kanten. Der einmalige Verlust von 8% ist gerechtfertigt durch die relativ niedrigen Kosten dieses Materials und der Ersatz des Verlustes von o,25% pro Tag stellt nur einen geringfügigen Betriebskostenanteil dar, welcher zu rechtfertigen ist durch die Ersparnisse in anderen Bereichen, wie sie vorstehend angegeben wurden, und durch das erreichbare verbesserte Betriebsverhalten.
Ein befriedigender Betrieb des Arbeitsmodells der Brennkammer wurde auch erreicht unter Verwendung von gemahlenem Kalkstein mit einer Teilchengrösse im Bereich entsprechend der lichten Maschenweite von o,84 bis 0,44 mm für die Teilchen der Bettkomponente 6o. Für die Teilchen der zweiten Komponente 62 wurde das grobe Mineral Speculite (lichte Maschenweite in mm -1 ,65/ + 1,15) gemäss der vorstehenden Beschreibung verwendet. Wie zuvor wurde das Fließbettsystem mit einer "Oberflächengeschwindigkeit" von etwa 9m/s betrieben. Es ist zu beachten, dass auch hier der pulverirsierte Kalkstein (Teilchengrösse entsprechend der lichten Maschenweite von -o,o44 mm) als primäres Absorptionsmittel für Schwefel verwendet wurde, da die verfügbare Oberflächengrösse und die Abnahmegeschwindigkeit für den Kalkstein mit Teilchengrösse entsprechend der lichten Maschenweite o,84 -o,44>es nicht gestattet, mehr als einen Bruchteil des Schwefeldioxydes zu absorbieren, welcher durch das Verbrennen der Kohle erzeugt wird.
Wie zuvor ausgeführt, kann die verfügbare Form des Kalksteins (oder des Dolomits) von deren geographischem Ursprung abhängig sein und diese können die verschiedensten Abtraggeschwindigkeiten besitzen. Wenn Kalkstein mit einer hohen Abtragge-
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schwindigkeit als Teilchen für die erste Bettkomponente 60 verwendet wird, dann müssen geeignete Vorkehrungen getroffen werden, um den verloren gegangenen Kalkstein der Komponente 60 periodisch oder kontinuierlich zu ersetzen. Gleichzeitig kann jedoch möglicherweise die Geschwindigkeit verringert werden, mit welcher der pulverisierte Kalkstein aus dem Vorratsspeicher 2 2 zugeführt wird. In einem anderen Fall kann der für die Komponente 60 verwendete Kalkstein möglicherweise keinen wesentlichen Abtrag besitzen und muss daher nur in gelegentlichen Intervallen ersetzt werden. Der gesamte für die Absorption des Schwefels in der Kohle benötigte Kalkstein muss jedoch aus dem Vorratsspeicher 22 für pulverisierten Kalkstein geliefert werden. Experimente unter Verwendung von verschiedenen Ausmahlungen von pulverisiertem Kalkstein bis herunter zu einer Teilchengrösse entsprechend der lichten Maschenweite von -o,o44 mm haben gezeigt, dass in einem System ähnlich dem in Figur 2 abgebildeten System, bei dem das Material einmal durchgesetzt wird, der Kalkstein um so wirksamer für die Entfernung des Schwefels ist, je feiner er ist. Infolgedessen ist dann auch die Kalksteinmenge geringer, welche verwendet werden muss, um die Gase der Brennkammer auf einen annehmbaren Wert zu entschwefeln. Es wurde gefunden, dass in dem Arbeitsmodell mit einmaligem Durchsatz ähnlich dem System nach Figur 2 Kalksteinteilchen im Grössenbereich entsprechend einer lichten Maschenweite von etwa -o,148 bis -o,o44 mm wirksam verwendet werden können. Die Grosse der für einen bestimmten Anwendungsfall zu verwendenden Teilchen aus Kalkstein oder Dolomit kann gemäss dem wirtschaftlichsten Kompromiss ermittelt werden in Abhängigkeit von dem Kalksteintyp, dem Schwefelanteil in der Kohle, den Kalksteinkosten, den Kosten für das Mahlen und Sieben, und den Gesichtspunkten für die Beseitigung und/oder Aufbereitung und für den zulässigen Schwefelgehalt in den Abgasen.
Die festen Teilchen für die zweite Bettkomponente 62 bestehen
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im wesentlichen aus einem Material, welches in dem Fließbettsystem eine physikalische und chemische Langzeitstabilität besitzt und dadurch sich praktisch nicht agglomeriert und an dem praktisch in der Anlage keine wesentliche Abtragung erfolgt. Im allgemeinen Fall kann dieses Material katalytisch wirken oder sogar in eine chemische Reaktion eintreten, welche in dem Fließbettsystem erfolgt. Gemessen über eine Zeitdauer von Wochen oder Monaten wird es jedoch im chemischen Sinne nicht wesentlich aufgebraucht und ändert auch seine physikalischen Eigenschaften nicht wesentlich, weder durch Agglomeration noch durch Abtragung, insbesondere nicht in einem solchen Ausmass, dass sein Verhalten in dem Fließbettsystem wesentlich verändert wird.
Für den Fall der Brennkammer mit Fließbett wurde gefunden, dass neben dem Zusatz von Eisenoxyd gemäss dem vorstehend beschriebenen Beispiel Aluminiumoxyd, Nickel und Nickeloxyd weitere geeignete Materialien darstellen. Neben ihrer Eigenschaft der physikalischen und chemischen Langzeitstabilität unter den Betriebsverhältnissen in der Brennkammer sind alle diese Materialien hervorragend bezüglich ihres "Wärmeübertragungs· parameters" (HTP), wie er durch die folgende Beziehung gegeben ist:
Dabei ist C die spezifische Wärme des Feststoffes und/7 ist die Dichte des Feststoffes. Der Wärmeübertragungsparameter HTP steht in Beziehung zum Wärmeübergangsverhalten der Bett-Teilchenkomponente in dem Fließbettsystem. Die Wärmeübertragungs· parameter HTP für die 4 als geeignet für den Brenner befundenen Materialien sind: Fe9O- 3,81, Al9O, 2,77, Ni 4,65 und NiO 4,o9. Das Fe9Ox besitzt grosse wirtschaftliche Vorteile, da es in natürlichem Hämatiterz in sehr hohen Konzentrationen vorkommt, welches mit relativ geringen Kosten erhältlich ist.
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Es kann noch andere Materialien einschliesslich weiterer Metalle^ihren Legierungen und Oxyden, Cermets, intermetallischen Verbindungen oder beschichteten Teilchen geben, welche für die Verwendung in Brennkammern oder in anderen Anwendungsfällen mit Fließbett geeignet sind.
In dem Brennkammersystem nach Figur 3 wird ein Wärmeübertragungsmittel durch mindestens einen Teil 1oo des Rezirkulationsweges geleitet, so dass die Wärme, welche in der ersten Teilchenkomponente vorhanden ist, auf das Medium übertragen wird. Die Bezugsziffern der Figur 2 werden zur Bezeichnung ähnlicher Teile in Figur 3 verwendet. Die römische Ziffer III bezeichnet den Teil des Bereichs I ausserhalb des Bereiches II im Innern der Brennkammer 16.
Wie in Figur 3 dargestellt, gehen die im Gasstrom mitgeführten Feststoffe aus dem Bereich III über die Leitung 7o in den primären Abscheider 36 über. Die festen Teilchen der ersten Bettkomponente oo^beispielsweise Teilchen aus feinem Mineral Speculite, werden aus der Unterströmung des Abscheiders 36 in einen Wärmeaustauscher 1oo mit beweglichem Bett abgegeben. Der Wärmeaustauscher 1oo bildet einen Teil des Rezirkulationsweges für die ersten Teilchenkomponente 6o durch die Leitung 76a und den Bereich II. In dem Wärmeaustauscher 1oo wird ein Wärmeübertragungsmittel (Kühlmittel) } beispielsweise Wasser, durch ein Speisewasserrohr 1o2 und von dort durch Wärmeübertragungsrohre 1o4 geleitet und dann durch ein heisses Kühlmittel oder Dampfrohr 1o6 abgegeben. Die rezirkulierenden Bett-Teilchen strömen nach unten um die Rohre 1o4 herum, so dass die in den Bett-Teilchen enthaltene Wärme durch die Rohre 1o4 auf das Kühlmittel übertragen wird.
Die Wärmeaustauscheranordnung nach Figur 3 kann verwendet werden, um die Grosse der benötigten Wärmeübergangsfläche in der Brennkammer 16 zu verringern oder sogar zur Beseitigung der Notwendigkeit für Dampfrohre in der Brennkammer. Anstelle
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- sr -
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des Wärmeaustauschers 1oo mit beweglichem Bett und Rohr kann ein dichtes Fließbett oder ein anderer Wärmeaustauscher verwendet werden.
Die Figur 4 zeigt ein System zur Durchführung einer zweistufigen Verbrennung gemäss der Erfindung. Hier wird eine erste Stufe mit Sauerstoffunterschuss betrieben und es folgt eine zweite Stufe mit Betrieb im Sauerstoffüberschuss. Dieser Lösungsweg ist hauptsächlich zweckmässig zur Verringerung der Emission von NO .
Obwohl die zweistufige Verbrennung an sich bereits von anderen früher vorgeschlagen wurde, haben die früheren Vorschläge die Probleme nicht zufriedenstellend gelöst, welche als Ergebnis der Bildung von CaS in der Zone mit Sauerstoffunterschuss entstehen. Das Material CaS ist nicht geeignet zur Beseitigung in einer Mülldeponie auf dem Lande. Eine weitere Schwierigkeit bei den vorbekannten Vorschlägen für eine Zweistufen-Verbrennungsanlage ergibt sich aus der kurzen Verweilzeit und der unzureichenden Durchmischung, welche in der zweiten Stufe erhalten wird.
In der Anordnung nach Figur 4 wird der Bereich mit dem dichten Fließbett unter Verhältnissen mit SauerstoffUnterschuss betrieben und oberhalb der Oberfläche des dichten Fließbettes wird Luft eingeleitet, um die vorhandenen reduzierenden Gase zusammen mit dem CaS zu oxydieren, welches mit dem im Gasstrom mitgeführten Bettmaterial mitgeführt wird.
Der hohe Grad der Turbulenz in dem Bereich des im Gasstrom mitgeführten Fließbettes ergibt den Mechanismus zur Steigerung der interessierenden physikalischen und chemischen Reaktionen in diesem Prozess. Es können Wärmeübergangsflächen vorgesehen werden, um die Wärme abzuführen, welche bei der Verbrennung in dieser im Gasstrom mitgeführten Zone entsteht, so dass der
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Wirkungsgrad für die Beseitigung von SO2 gross bleibt. Die Reaktion zur Reduktion von NO
2N0 + 2C -> N2 + 2C0
kann optimal gestaltet werden, ohne die Erfordernisse für die Wärmeübergangsfläche ernsthaft zu beeinträchtigen. Durch die Verwendung von feinen Teilchen aus Kalkstein werden die Reaktionen zwischen Feststoff und Gas gesteigert, welche für den erfolgreichen Betrieb benötigt werden.
In der Figur 4 werden die gleichen Bezugs ziffern wie in Figur 2 zur Bezeichnung ähnlicher Teile verwendet. Ein beachtlicher Unterschied zwischen der Figur 2 und der Figur 4 besteht darin, dass die Zuführungsleitung 34 für die zur Wirbelschichtbildung verwendete Luft in zwei Teile 34a und 34b aufgeteilt ist. Der durch die Leitung 34a zugeführte Teil der Luft wird dem dichten Fliessbett im Bereich II mit einer Geschwindigkeit zugeführt, welche ausreicht zur Fließbett- oder Wirbelschichtbildung der zweiten Komponententeilchen 62 in diesem Bett und zur Aufrechte rhaltung der Zirkulation der Teilchen der ersten Komponente 6o durch das Fließbett, während mindestens der Hauptteil des dichten Fließbettes mit Sauerstoffunterschuss betrieben wird. Der andere Teil der zur Fließbettbildung verwendeten Luft wird durch den Leitungsteil 34b zugeführt und dem im Gasstrom mitgeführten Fliessbett im Bereich III zugeführt, so dass mindestens der Hauptteil dieses im Gasstrom mitgeführten Fliessbettes mit Säuerstoffüberschuss betrieben wird.
Ein Wärmeübertragungsmedium, beispielsweise Dampfkesselspeisewasser, wird über Wasser und Dampfleitungen 58a und 58b durch Dampfkesselrohre wie bei 58 durch mindestens einen Teil (Bereich III) des ersten Raumbereiches I (Figur 2) geleitet, um auf diese Weise dort die Wärmeenergie abzuführen.
7 0 9 8 re^Q-9 6 8
Da der kohlenstoffhaltige Brennstoff aus Kohle mit einem hohen Schwefelgehalt besteht, wird in diesem Falle ein Absorptionsmittel für Schwefel, d.h. Kalkstein, ebenfalls mit der Kohle zusammen durch die Leitung 18 in das Fließbettsystem eingebracht und insbesondere in das dichte Fließbett oberhalb des Verteilungsstückes 66. Die Verwendung von pulverisiertem Kalkstein, beispielsweise mit einer Teilchengrösse von >o,o44 mm zusammen mit dem vorstehend beschriebenen Betrieb bei niedriger Temperatur gewährleistet, dass das in dem dichten Fließbett gebildete CaS in der Form von feinen Teilchen vorliegt, welche nach oben in den Bereich III und in das im Gas mitgeführte Fließbett getragen werden. Hier werden sie infolge des Überschusses an Sauerstoff zu CaSO. oxydiert und ausserdem wegen ihrer recht grossen Verweildauer in dem Bereich III, die sich aus der Anwesenheit der ersten festen Bett-Teilchenkomponente 6o in diesem im Gasstrom mitgeführten Fließbett ergibt. Gleichzeitig wird durch das Durchleiten des Wärmeübertragungsmittels durch diesen Bereich das im Gasstrom mitgeführte Material auf einer genügend niedrigen Temperatur gehalten, um eine Zersetzung des Sulfats zu verhindern, die sonst zu einer Regeneration von SO- führen würde. Wie bereits vorstehend ausgeführt, wurde ein Brennkammersystem ähnlich dem in Figur gezeigten System mit einer Höhe von etwa 3 m und einem Durchmesser von etwa 15 cm konstruiert und betrieben. Dabei wurde eine Kohlesorte Illinois No. 6 verbrannt, welche etwa 3,9% Schwefel enthaltend dabei wurden die nachstehend aufgeführten Ergebnisse erhalten. Als zweite feste Teilchenkomponente 62 wurde das "grobe" Mineral Speculite (Teilchengrösse entsprechend einer lichten Maschenweite von 1,41 - 1 ,oo 11111U mit der vorstehend angegebenen Siebanalye verwendet. Als erste feste Bett-Teilchenkomponente 6o wurde in einer Gruppe der Versuche das "feine" Miner Speculite (Teilchengrösse entsprechend einer Maschenweite von 1 ,oo - o,111mm) mit der vorstehend angegebenen Siebanalyse verwendet.
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Schichtdicke des groben Speculite ohne Wirbelschichtbildung Einsatzgeschwindigkeit für die Kohle Teilchengrösse der Kohle
Einsatzgeschwindigkeit für pulverisierten Kalkstein
Teilchengrösse für pulverisierten Kalkstein
Temperatur des dichten Fließbettes
Temperatur des im Gasstrom mitgeführten Bettes
Molverhältnis Kalzium/Schwefel S chwe felaus s ehe i dung
Wärmeübergangskoeffizient für das dichte Fließbett
Wärmeübergangskoeffizient für das im Gasstrom mitgeführte Fließbett
Wirkungsgrad der Verbrennung
26468
ca. 38 cm ca.25 kg/h
kleiner als lichte Maschenweite von etwa 2,4 mm
etwa 5,4kg/h
grosser als lichte Maschenweite von etwa o,o44 mm
etwa 9oo C
etwa 73 8° C 1,5
85%
312 kcal/m2h°C (64 BTU/h-ft -F)
161 kcal/m2h°C (33 BTU/h-ft -F)
grosser als
Vorstehend wurde die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens anhand bestimmter Verfahrensweisen und bestimmter Anlagen beschrieben. Diese Beschreibung ist jedoch nur beispielhaft und soll den Umfang der Erfindung nicht begrenzen.
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Leerseite

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1.) Verfahren zum Betriebs eines Fließbettsystems, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst:
    in einem ersten Raumbereich wird ein im Gasstrom mitgeführtes Fließbett gebildet, welches eine erste feste Bett-Teilchenkomponente enthält,
    in einem begrenzteren Raumbereich innerhalb des ersten Bereiches wird ein dichtes Fliessbett gebildet, das eine zweite feste Bett-Teilchenkomponente enthält, welche im wesentlichen aus einem Material besteht, das eine physikalische und chemische Langzeitstabilität in dem Fließbettsystem besitzt und daher praktisch keine Agglomeration und keinen wesentlichen Abtrag oder Gewichtsabnahme in dem Fließbett besitzt,
    es wird ein Rezirkulationsweg für die erste Teilchenkomponente von dem ersten Raumbereich durch das dichte Fließbett in dem begrenzteren Raumbereich hindurch vorgesesehen, und
    das Fließbettsystem wird mit einer solchen Gasgeschwindigkeit betrieben, dass die Teilchen der zweiten Komponente effektiv in dem dichten Fließbett in dem begrenzteren Raumbereich zurückgehalten werden, während die Teilchen der ersten Komponente rezirkulieren und durch das dichte Fließbett hindurchdringen, wobei sie sich mit den Teilchen der zweiten Komponente vermischen.
    2.) Verfahren nach Anspruch 1 zur Unterstützung einer Reaktion zwischen mindestens zwei Reaktionsteilnehmern mit hohem Wirkungsgrad, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsteilnehmer in das Fließbettsystem in einer solchen Weise eingeleitet werden, dass die Reaktanten gründlich durchmischt werden durch die Bewegung der vermischten Teilchen in dem dichten Fließbett.
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    3.) Verfahren nach Anspruch 2, wobei mindestens einer der Reaktionsteilnehmer gasförmig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelschichtbildung in dem Fließbettsystem mit dem gasförmigen Material erfolgt.
    4.) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der andere Reaktionsteilnehmer ein festes teilchenförmiges Material ist, welches mit dem gasförmigen Material mit einer vorgegebenen Umsatzgeschwindigkeit zur Reaktion gebracht werden soll, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte :
    Der feste Reaktionsteilnehmer wird in das Fließbettsystem mit der vorgegebenen Geschwindigkeit eingebracht, in dem Fließbettsystem wird mit einer solchen "Oberflächengeschwindigkeit" eine Wirbelschichtbildung durchgeführt, dass der gasförmige Reaktionsteilnehmer dem Fließbett mit einer Geschwindigkeit oder Durchsatzmenge zugeführt wird, welche ausreicht zur vollständigen Reaktion mindestens eines der zugeführten Reaktionsteilnehmer, und die Bett-Teilchenkomponenten werden so ausgewählt, dass bei dieser Oberflächengeschwindigkeit die Teilchen der ersten Komponente im Gasstrom mitgeführt werden und die Teilchen der zweiten Komponente effektiv in dem dichten Fliessbett in dem begrenzeteren Raumbereich zurückgehalten werden.
    5.) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Reaktionsteilnehmer aus Teilchen besteht, welche bei der "Oberflächengeschwindigkeit" in dem Gasstrom mitgeführt werden können, wobei eine solche Menge der Teilchen der zweiten Bettkomponente zugeführt wird, welche die Bewegung der Reaktantenteilchen ausreichend hemmt, um eine solche Verweildauer derselben in dem dichten Fließbett zu bewirken, dass ein Hauptteil mindestens eines der Reaktionsteilnehmer in dem begrenzteren Raumbereich vollständig umgesetzt wird.
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    6.) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Reaktionsteilnehmer ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff ist und ein Energieprodukt aus dem Fließbettsystem abgeführt wird.
    7.) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der kohlenstoffhaltige Brennstoff in dem Fließbettsystem verbrannt wird und als Energieprodukt Wärme abgeführt wird.
    8.) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Reaktionsteilnehmer ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff ist und ein Energieprodukt aus dem Fließbettsystem entnommen wird.
    9.) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der kohlenstoffhaltige Brennstoff in dem Fließbettsystem verbrannt wird und als Energieprodukt Wärme entnommen wird.
    1o.) Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeübertragungsmittel durch Dampfkesselrohre in dem ersten Raumbereich geleitet wird.
    11.) Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeübertragungsmittel durch mindestens einen Teil des Rezirkulationsweges geleitet wird und dadurch die in der ersten Teilchenkomponente enthaltene Wärme auf das Mittel übertragen wird.
    12.) Verfahren nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeübertragungsmittel durch mindestens einen Teil des Rezirkulationsweges geleitet wird und dadurch die in der ersten Teilchenkomponente enthaltene Wärme auf das Mittel über-tragen wird.
    7Ö981S/Q9&8
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    Λ 2646880
    13.) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Reaktionsteilnehmer im wesentlichen aus Kohleteilchen besteht und der gasförmige Reaktionsteilnehmer im wesentlichen aus Luft besteht und die Kohle in dem Fließbettsystem verbrannt wird und die Menge der Teilchen der zweiten Bettkomponente so gewählt wird, dass der Hauptteil der Kohle in dem dichten Fließbett verbrannt wird und Wärmeenergie aus dem Fließbettsystem entnommen wird.
    14.) Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeübertragungsmittel durch mindestens einen Teil des ersten Raumbereiches ausserhalb des begrenzten Raumbereiches geleitet wird und die Menge der Teilchen der ersten Bettkomponente so gewählt wird, dass eine maximale Geschwindigkeit der Wärmeübertragung auf das Mittel erhalten wird.
    15.) Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmittel auch noch durch den begrenzteren Raumbereich geleitet wird.
    16.) Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeenergie nit einer ausreichenden Geschwindigkeit abgeführt wird, um die Temperatur des Fließbettsystems wesentlich unterhalb des Schmelzpunktes der aus dem Kohleteilchen gebildeten Asche zu halten, wodurch die gesamte Asche mit den festen Teilchen der ersten Bettkomponente mitgeführt wird und anschliessend die Asche von den festen Teilchen der ersten Bettkomponente in dem Rezirkulationsweg ausserhalb des begrenzteren Raumbereichs abgetrennt wird.
    17.) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der kohlenstoffhaltige Brennstoff Schwefel enthält und
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    - 4o -
    in das Fließbettsystem ein Absorptionsmittel für Schwefel eingeführt wird.
    18.) Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionsmittel für Schwefel im wesentlichen aus einem Karbonat von Kalzium oder Magnesium oder beiden besteht.
    19.) Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das dichte Fließbett auf einer Temperatur im Bereich von etwa 79o° C bis etwa 955° C gehalten wird.
    2o.) Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionsmittel Kalkstein oder Dolomit ist.
    21.) Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionsmittel im wesentlichen aus festen Teilchen mit einer Teilchengrösse im Bereich entsprechend einer Maschenweite von etwa o,15 bis o,o44 mm besteht.
    22.) Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalzium in dem in das System eingebrachten Karbonat zu dem Schwefel in dem in das System eingebrachten kohlenstoffhaltigen Brennstoff etwa im Verhältnis von 1 bis 3 Mole Kalzium auf 1 Mol Schwefel vorhanden ist.
    23.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die festen ersten und zweiten Bett-Teilchenkomponenten im wesentlichen aus dem gleichen Material bestehen und die erste Komponente im wesentlichen aus feineren Teilchen und die zweite Komponente im wesentlichen aus gröberen Teilchen besteht.
    24.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die zweite Bett-Teilchenkomponente eine hohe
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    Temperaturstabilität besitzt, unter den Betriebsbedingungen des Fließbettsystem praktisch inert ist und so ausgewählt ist, dass sie in dem Fließbettsystem eine gute Wirbelbildung und eine wirksame Durchmischung und einen guten Wärmeübergang fördert.
    25.) Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fließbettsystem oxydierende Verhältnisse herrschen und die Bett-Teilchenkomponenten im wesentlichen aus Metallen oder Metalloxyden bestehen.
    26.) Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Material im wesentlichen aus einem Eisenoxyd besteht-
    7.) Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Material im wesentlichen aus Hämatit besteht.
    28.) Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten im wesentlichen aus Aluminiumoxyd oder Nickel oder Nickeloxyd bestehen.
    29.) Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die feineren Teilchen eine Teilchengrösse im Bereich entsprechend einer lichten Maschenweite von etwa 1 ,oo mm bis o,1l mm besitzen, die gröberen Teilchen eine Teilchengrösse im Bereich entsprechend einer lichten Maschenweite des Siebes von etwa 1,41 mm bis 1 ,oo mm besitzen und die "Oberflächengeschwindigkeit" des Fließbettsystems im Bereich von etwa 6 bis 12 m/s liegt.
    3o.) Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das dichte Fließbett in einem Behälter mit einem im wesentlichen zylindrischen oder primatischen Teil gehalten wird und die Menge der gröberen Teilchen ausreicht, um den zylindrischen oder prismatischen Teil bei einem Zustand ohne Wirbelschichtbildung in einer Höhe von etwa 25 cm zu
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    31.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste feste Bett-Teilchenkomponente im wesentlichen aus einem Karbonat von Kalzium oder Magnesium oder beiden besteht.
    32.) Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die erste feste Bett-Teilchenkomponente aus Kalkstein oder aus Dolomit besteht.
    33.) Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite feste Bett-Teilchenkomponente im wesentlichen aus einem Metall oder einem Metalloxyd besteht.
    34.) Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite feste Bett-Teilchenkomponente im wesentlichen aus einem Eisenoxyd besteht.
    35.) Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bett-Teilchenkomponente im wesentlichen aus Hämatit besteht.
    36.) Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bett-Teilchenkomponente im wesentlichen aus Aluminiumoxyd oder Nickel oder Nickeloxyd besteht.
    37.) Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen der zweiten Bett-Komponente eine Teilchengrösse im Bereich entsprechend einer lichten Maschenweite von 1,41 mm bis 1 ,oo mm besitzen, die Teilchen der ersten Komponente eine Teilchengrösse im Bereich entsprechend einer lichten Maschenweite von etwa o,84 mm .bis o,44 mm besitzen und die "Oberflächengeschwindigkeit" des Fließbettsystem im Bereich von etwa 6 bis 12 m/s liegt.
    38.) Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeübertragungsmittel durch Dampfkesselrohre in
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    - 43 -
    2846860
    .1 .
    dem ersten Raumbereich einschliesslich des begrenzteren Raumbereichs geleitet wird.
    39.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom der festen Teilchen der ersten Bettkomponente in dem Rezirkulationsweg zur Bildung eines Vorrates von Teilchen stromaufwärts von der Strömungsbehinderung behindert wird und in diesem Vorrat eine Menge von Teilchen angesammelt wird, welche ausreichend ist zur Verhinderung eines Rückstroms in den Rezirkulationsweg, welcher sich sonst aus dem am dichten Fließbett zugeführten Druck zur Wirbelschichtbildung ergeben könnte.
    4o.) Verfahren nach Abspruch 39 für einen Prozess mit Aschebildung, bei dem die in dem Vorratsraum gesammelten
    Teilchen in Begleitung mit Restasche auftreten, dadurch gekennzeichnet, dass an den Teilchen in dem Vorrat eine Wirbelschichtbildung zur selektivem Aufnahme der Asche
    vorgenommen wird und die aufgenommene Asche zur Beseitigung entfernt wird.
    41.) Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsbehinderung, die Menge der Teilchen und
    die Geschwindigkeit des Gasstroms für die Wirbelschichtbildung so ausgewählt werden, dass man eine Rezirkulationsgeschwindigkeit für die festen Teilchen der ersten Bettkomponente erhält, welche ausreichend ist, um die Gesamtwärmeübergangsgeschwindigkeit in dem ersten Raumbereich auf ein Maximum zu bringen.
    42.) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Material Luft ist und der andere Reaktionsteilnehmer ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff ist und
    ein Teil der Luft dem dichten Fließbett mit einer Geschwindigkeit zugeführt wird, die zur Wirbelschichtbildung
    der Teilchen der zweiten Komponente in diesem Bett und weiterhin zur Zirkulation der Teilchen der ersten Komponente durch das Bett ausreicht, wobei gleichzeitig der Hauptteil des dichten Fließbettes mit SauerstoffUnterschuss betrieben wird, und dem im Gasstrom mitgeführten Bett ein weiterer Teil der Luft zugeführt und dadurch mindestens der Hauptteil dieses im Gasstrom mitgeführten Bettes mit Sauerstoffüberschuss betrieben wird.
    43.) Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeübertragungsmittel durch mindestens einen Teil des ersten Raumbereiches ausserhalb der begrenzteren Raumbereiches zur Abführung von Wärmeenergie geleitet wird.
    44.) Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass der kohlenstoffhaltige Brennstoff Schwefel enthält und ein Absorptionsmittel für Schwefel in das Fließbettsystem eingeleitet wird.
    45.) Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionsmittel für Schwefel im wesentlichen aus einem Karbonat von Kalzium, Magnesium oder beiden besteht.
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