DE19926201C2

DE19926201C2 - Wirbelschichtreaktor

Info

Publication number: DE19926201C2
Application number: DE1999126201
Authority: DE
Inventors: Juergen Karl
Original assignee: Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Bioage GmbH
Priority date: 1999-06-09
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2001-06-28
Anticipated expiration: 2019-06-10
Also published as: DE19926201A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtreaktor, der den Wirkungsgrad von Wir belschichtprozessen verbessert. Wirbelschichtprozesse werden z. B. bei der Trocknung, Vergasung oder Verbrennung von Stoffen eingesetzt, wobei in einem abgeschlossenen Reaktionsraum überwiegend festes Bettmaterial, wie z. B. Sand, durch einen Gasstrom fluidisiert wird. In diesen Reaktionsraum wird z. B. der zu vergasende Stoff eingebracht. Aufgrund des sehr guten Wärmeübergangs zwischen dem Bettmaterial und dem zu vergasenden Stoff läuft der Prozeß mit einem hohen Wirkungsgrad ab.

Trotzdem ist es wünschenswert, den Wirkungsgrad weiter zu verbessern, denn bei den herkömmlichen Wirbelschichtbetten ist bei einer Wirbelschichtverbren nung lediglich die vertikale Vermischung besonders gut, während die Quervermi schung des Bettmaterials, der Brennstoffpartikel und der Asche gering ist. Bei großen Wirbelschichtflächen sind somit viele Brennstoffaufgabestellen erforder lich, die die Anlagekosten erheblich erhöhen. Bei kleinen Wirbelschichtbetten bewirken besonders die entstehenden Blasen eine Kanalbildung, die sich negativ auf den Prozeß auswirkt.

Ein weiteres Problem bei Wirbelschichten ist das Einbringen bzw. Ableiten von Wärme, um z. B. Vergasungsprozesse zu optimieren. So ist z. B. die energetische Nutzung biogener Einsatzstoffe derzeit weitgehend auf die Verbrennung be schränkt. Die Technologien zur Vergasung sind auf die Erzeugung von Schwachgasen mit einem Heizwert unter 6000 kJ/m³ ausgerichtet. Diese Gase sind jedoch für eine Nutzung z. B. in Gasturbinen oder Brennstoffzellen nicht geeignet.

Um Gase mit einem Heizwert von 8000 bis 10000 kJ/m³ zu erzeugen, muß eine sogenannte allotherme Vergasung durchgeführt werden. Dazu ist es erforderlich, dem zu vergasenden Brennstoff ausreichend externe Wärme auf einem hohen Temperaturniveau von 500 bis 900 Grad Celsius zuzuführen, was bisher mit ei nem hohen technischen Aufwand verbunden ist.

Aus dem Stand der Technik sind dafür folgende prinzipielle Vergaserkonstruktio nen bekannt:

Batelle-Vergaser

Beim Batelle-Vergaser (zweistufige Wirbelschichtvergasung) wird die Reaktions wärme für die Wirbelschicht in einer externen Wirbelschichtverbrennung erzeugt. Die Übertragung der Wärme erfolgt durch Austausch des heißen Sandbettes und ist daher mit einem hohen technischen Aufwand verbunden, vergl. Peter Jansen, Thermische Vergasung von nachwachsenden Roh- und organischen Reststoffen Institutsberichte der Bundesanstalt für Landwirtschaft, Braunschweig, 1997.

DMT-Vergaser

Im DMT-Vergaser soll ein wesentlicher Teil der für die Vergasung notwendigen Wärme dadurch eingebracht werden, daß für die Fluidisierung überhitzter Was serdampf mit einer Temperatur von 750 Grad Celsius verwendet wird. Zusätzlich sollen für die Vergasung von Biomasse Wärmetauscherrohre durch das Wirbel bett geleitet werden, durch die Rauchgas mit einer Temperatur von 1150 Grad Celsius strömt. Der Nachweis, daß mit dieser Vorrichtung Heizwerte von ca. 10 000 kJ/m³ erzielbar sind, erscheint nach dem derzeitigen Kenntnisstand kaum möglich. Vorrichtungen, die nach diesem Prinzip arbeiten, sind in den Dokumen ten US 5,064,444 und US 5,439,491 offenbart.

Zur Erhöhung des chemischen Umsatzes wurde daher versucht, den Wärmeein trag in das Wirbelbett durch den Einsatz von Pulsbrennern zu erhöhen, wie in dem Dokument US 5,306,481 offenbart. Dieser Weg ermöglicht prinzipiell einen höheren Wärmeeintrag und somit einen chemischen Umsatz, der für eine al lotherme Vergasung erforderlich ist. Der Einsatz von Pulsbrennern ist jedoch rela tiv aufwendig.

Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, den Wärmeeintrag in ein Wir belschichtbett mittels Wärmeleitrohre (Heatpipes) durchzuführen. Die US 4,160,720 offenbart eine Vorrichtung zur Vergasung von Teersand, bei der eine Wärmeübertragung in den Reaktionsraum mittels Wärmeleitrohre (Heatpipes) erfolgt. Bei dieser Vorrichtung durchläuft der Teersand das Reaktionsbett und die Verbrennungszone. Da sich das Pyrolysegas mit dem Rauchgas mischt, verrin gert sich der Heizwert dieses Gases, das sich nicht für den unmittelbaren Einsatz für Gasturbinen oder für Brennstoffzellen eignet.

In der Literatur Chemie-Ing.-Techn. 45 (5), 1973, Seiten 307 bis 312 wird speziell die Gestaltung horizontaler Rohrbündel in Gas-Wirbelschichtreaktoren nach wär metechnischen Gesichtspunkten beschrieben.

Es besteht die Aufgabe der Erfindung darin, den Wärmeeintrag bzw. den Wärme entzug in Wirbelschichten von Wirbelschichtreaktoren weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird mit einem Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 gelöst. In dem Wirbelschichtreaktor ist ein Reaktorbehälter vorgesehen, der das Wirbel schichtbett aufnimmt. Es sind Fluidisierungsvorrichtungen vorgesehen, die einen vorbestimmten Bereich des Wirbelschichtbettes fluidisieren. Um in diesen Bereich zusätzliche Wärme einzubringen oder abzuziehen, werden Wärmetauschervor richtungen eingesetzt. Je besser der Wärmeübergang zwischen den Wärmetau schervorrichtungen und der Wirbelschicht ist, um so höher ist der Wirkungsgrad der Anlage. Um diesen Wärmeübergang zu verbessern, werden die Wärmetau scherabschnitte der Wärmetauschervorrichtung erfindungsgemäß als spezielle Wärmetauscherrippen ausgebildet, die so geformt und angeordnet sind, um mit den von den Fluidisierungsvorrichtungen erzeugten Fluidströmen und -wirbeln so in Wirkbeziehung zu gelangen, daß die fluidisierten Teilchen quer zu ihrer ur sprünglichen Strömungsrichtung beschleunigt werden, wodurch die Quervermi schung des Wirbelschichtbettes verbessert wird, die Verweilzeit der Teilchen im Wirbelschichtbett erhöht wird und der Wärmeübergang von den Wärmetauscher rippen zum Wirbelschichtbett wesentlich verbessert wird.

Es ist zu betonen, daß es nicht möglich und sinnvoll ist, eine konkrete Dimensio nierung für die speziellen Wärmetauscherrippen anzugeben, da der Fachmann eine derartige Optimierung nur in Verbindung mit einem konkreten Wirbelschicht reaktor vornehmen kann. Es ist daher im Einzelfall möglich, sehr speziell ausge bildete Wärmetauscherrippen einzusetzen, die u. U. sogar unterschiedlich, asymmetrisch usw. ausgebildet sein können, wenn dadurch die vorstehend be schriebene Ablenkung der Teilchen mit den damit verbundenen positiven Wirkun gen erfolgt.

Bevorzugte Formen der Wärmetauscherrippen sind in den Ansprüchen 2, 3 und 4 beansprucht. Diese Formen lassen sich gut fertigen.

Nach Anspruch 5 sind die Wärmetauscherrippen mit den Wärmetauscherab schnitten lösbar verbunden. Diese Ausführungsform weist eine Reihe von Vortei len auf: Da z. B. Wirbelschichten, in denen Verbrennungsprozesse ablaufen, auf Grund der höheren Temperatur in Verbindung mit dem Sand der Wirbelschicht auf Einbauten stark abrasiv wirken, sind die Wärmetauscherrippen davon beson ders betroffen, d. h., sie unterliegen einem hohen Verschleiß. Die Auswechselbar keit dieser Verschleißteile ist daher besonders wirtschaftlich.

Nach Anspruch 6 werden als Wärmetauschervorrichtungen Wärmeleitrohre ein gesetzt.

Dem Fachmann ist klar, daß der durch die Erfindung bewirkte positive Effekt le diglich durch die besondere Gestaltung der Wärmetauscherrippen in Verbindung mit dem Wirbelschichtbett erzielt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbin dung mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei auf allgemeine Darstellungen von Wirbelschichtreaktoren verzichtet wurde, da diese dem Fach mann hinreichend bekannt sind und daher weder gezeigt noch näher erläutert werden müssen.

Fig. 1 zeigt eine Darstellung einer gewendelten Wärme tauscherrippe am Wärmetauscherabschnitt einer Wärmetauscher vorrichtung.

Fig. 2 zeigt eine Darstellung einer schaufelförmig ausge bildeten Wärmetauscherrippe.

Fig. 3 zeigt eine Funktionsdarstellung der Wärme tauscherrippe nach Fig. 1.

Fig. 4 zeigt Wärmetauscherrippen, die an waagerecht liegenden Wärme tauscherabschnitten angeordnet sind.

Die Fig. 1 zeigt einen Endabschnitt einer rohrförmigen Wärmetauschervorrichtung 1, an dem gewendelte Wärmetauscherrippen 2 angeordnet sind.

Die Fig. 2 zeigt einen Endabschnitt einer Wärmetauschervorrichtung 1, an dem schaufelförmig ausgebildete Wärmetauscherrippen 3 angeordnet sind.

Die Fig. 3 zeigt den rohrförmigen Endabschnitt einer Wärmetauschervorrichtung 1 mit gewendelten Wärmetauscherrippen 2 in einer Wirbelschicht, die z. B. aus Brennstoffteilchen 4 besteht, in der Gasblasen 5 aufsteigen. Die Pfeile 6 zeigen, in welche Richtung die Brennstoffteilchen 4 und die Gasblasen 5 abgelenkt wer den. Durch diese seitliche Ablenkung wird die Wirbelschicht homogenisiert. Gleichzeitig verbleiben die Brennstoffteilchen 4 länger im Wirbelbett, so daß sie vollständig verbrannt werden. Auch bei anderen Reaktionen, wie z. B. einer Ver gasung, ist eine längere Verweildauer der Einsatzstoffe gewünscht.

Durch die seitliche Ablenkung haben die Teilchen einen sehr guten Wärmekon takt mit zu den Wärmetauscherrippen, wodurch der Wärmeübergang erheblich verbessert und somit der Wirkungsgrad erhöht wird.

Die Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt eines Wirbelschichtreaktors mit waagerecht lie genden Wärmetauscherrohren mit Wärmetauscherabschnitten 7, an denen Wär metauscherrippen 8 angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform sind die Wär metauscherrippen 8 geneigt angeordnet, wobei die Neigungsrichtung der Wärme tauscherrippen bei dem darüberliegenden Wärmetauscherabschnitt gewechselt wurde. Daher werden die Teilchen 4 und die Dampfblasen 5 wechselweise nach links oder rechts abgelenkt, was zu einer guten Quervermischung führt. Es ist für den Fachmann klar, daß bei schräg liegenden Wärmetauscherabschnitten die Wärmetauscherrippen gemäß der erfindungsgemäßen Lehre anzuordnen sind.

Es ist klar, daß bei der Vielzahl von möglichen Varianten, Kombinationen und Bauformen der einzelnen Komponenten der Erfindung nicht alte dieser Varianten explizit beschrieben werden konnten. Jedoch fallen auch alle dieser nicht explizit beschriebenen Varianten unter den Schutzbereich der anliegenden Patentan sprüche, wenn sie die erfindungsgemäße technische Lehre benutzen.

Claims

1. Wirbelschichtreaktor mit

- einem Behälter zur Aufnahme eines Wirbelschichtbetts,
- Vorrichtungen zur Fluidisierung desselben und mit gasförmigen oder flüssigen Fluiden durchströmten Wärmetauschervorrichtungen (1), deren
- Wärmetauscherabschnitte in dem fluidisierten Bereich angeordnet sind, wobei die Wärmetauscherabschnitte Wärmetauscherrippen (2, 3, 8) aufweisen, da durch gekennzeichnet, daß

die Wärmetauscherrippen (2, 3, 8) an den Wärmetauscherabschnitten derart ge formt und angeordnet sind, daß sie die von den Fluidisierungsvorrichtungen er zeugten Fluidströme und Fluidwirbel so ausrichten, daß die fluidisierten Teil chen (4) quer zu ihrer ursprünglichen Strömungsrichtung beschleunigt werden.

2. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrippen (2) wendelförmig ausgebildet sind.

3. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrippen (3) schaufelförmig ausgebildet sind.

4. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an waagerecht liegenden Wärmetauscherabschnitten (7) die Wärmetauscherrippen (8) schräg geneigt zur Blasrichtung der Fluidisierungsvorrichtung angeordnet sind, wobei die Neigungsrichtung der Wärmetauscherrippen (8) von benachbart angeordneten Wärmetauscherabschnitten (7) unterschiedlich ist.

5. Wirbelschichtreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrippen (2, 3) mit den Wärmetauscher abschnitten (7) lösbar und wärmeleitend verbunden sind.

6. Wirbelschichtreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschervorrichtungen Wärmeleitrohre aufweisen.