Trennvorrichtunq zum Abscheiden von Feststoffpartikeln aus dem Gasstrom einer

Wirbelschicht

Die Erfindung betrifft eine Trenn Vorrichtung zum Abscheiden von Feststoff partikeln aus einem diese Partikel mitführenden Gasstrom einer Brennkammer entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer ZWS-Anlage arbeitet man mit einem zirkulierenden Wirbelschichtreaktor. Hierbei wird eine Masse aus feinkörnigen Feststoffpartikeln, die einer Brennkammer zugeführt werden, von unten nach oben von Primärluft durchströmt. Bei Ausbildung der Wirbelschicht wird die Gewichtskraft der Feststoffpartikel durch die entgegenge¬ setzte Strömungskraft des Gasstromes aufgehoben. Ein Teil der Feststoffpartikel ver¬ läßt den Wirbelschichtreaktor mit dem Gasstrom. Die Feststoffpartikel werden durch Zusatzeiπrichtungen aus dem Gasstrom entfernt, um einen für den Prozeß erforderli¬ chen Feststoffkreislauf sicherzustellen.

Es ist bekannt als Zyklon bezeichnete Fliehkraftabscheider zum Trennen der Fest¬ stoffpartikeln aus dem Abgasstrom zu verwenden. Das Prinzip der Fliehkraftabschei- dung beruht auf der Wirkung von Zentrifugalkräften. Durch eine Beschleunigung des Gas-/Feststoffgemisches auf eine Kreisbahn um die senkrechte Zyklonachse herum, entstehen Fliehkräfte, die unterschiedlich stark auf Gas- und Feststoffanteile des Gasstromes wirken. Mit zunehmender Partikelgröße wächst die Fliehkraft, so daß ab einer bestimmten Kerngröße die Partikeln abgeschieden werden. Partikeln, die kleiner als das sogenannte Trennkorn sind, folgen der Gasströmung. Die Feststoffpartikeln, die größer als das Trennkorn des Zyklons sind, werden an seine Wand geschleudert und rutschen nach unten zu einem Feststoffauslaß. Der Gasstrom und die Feststoff¬ partikeln, die kleiner als das Trennkorn sind, verlassen den Zyklon durch eine zentra¬ le Öffnung in der Decke.

Insbesondere bei Zyklonen mit einer sehr hohen Feststoffbeiadung des Gasstromes wird der Effekt der Fliehkraftabscheidung sehr stark von einer Massenabscheidung überlagert, d.h. ein großer Teil der Partikeln im Gasstrom wirbelt nicht mehrfach um die senkrechte Zyklonachse, sondern fällt gleich nach Eintritt in den Zyklon in Form einer abwärts geπchteten Feststoffröhre nach unten zum Feststoffaustrag Nur ein relativ kleiner Teil der Feststoffpartikeln wird durch die Fliehkraftabscheidung vom Gasstrom getrennt.

Zyklone herkömmlicher Bauart für ZWS-Anlagen sind sehr große, voluminöse Gebil¬ de, die zur ausreichenden Wärmeisolierung und zum Schutz gegen Erosion durch aufschlagende Feststoffpartikein große Mauerwerksmasseπ benötigen Diese dürfen nur langsam aufgeheizt werden, was zu langen Anfahrzeiten von ZWS-Anlagen führt An- und Abfahrvorgänge reduzieren die Standzeit der Ausmauerung Weiterhin sind bei der konventionellen Bauweise von Zyklonen aufgrund unterschiedlich großer Wärmedehnungsbeträge und -πchtungen für Zyklon, Brennkammer und Kesselkon- vektionsteil, aufwendige Kompensatoren erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Trennvorπchtuπg nach dem Oberbegriff des An¬ spruchs 1 zu schaffen, die möglichst unmittelbar am Ausgang der Brennkammer eine Abscheiduπg von Feststoffpartikeln aus dem Abgasstrom bewirkt und dadurch einen kompakten Verbund mit der Brennkammer und ggf mit weiteren Funktionseinheiten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen genannt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der aus der Brennkammer austretende Gass ^¬ trom unmittelbar zu einem Strömungskanal gelangt, der den Gasstrom um eine hori ^¬ zontal liegende Zykloπachse herum auf einem kreisartigen Bogen von oben nach un ^¬ ten leitet In vertika _l er Richtung nach unten ist der Stromungskanai dadurch erweitert, daß er in eine Treπnkammer übergeht, in der die abgeschiedenen Feststoffpartikein

herabsinken. Der gereinigte Gasstrom gelangt zu einem zur Weiterleitung geeigneten Übernahmekanal.

Durch den Aufbau dieses Strömungskanals mit einer waagrecht verlaufenden Zyklo¬ nachse, gelangen die Feststoffpartikein auf dem kürzesten Weg zu einer Stelle des Strömungskanals, wo dieser sich erweiternd in die Trennkammer übergeht, die da¬ durch direkt neben der Brennkammer zu liegen kommt. Diese Anordnung ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau, gleichzeitig wird aber auch eine sehr wirksame Tren¬ nung der Feststoffpartikein aus dem Abgasstrom erreicht, weil die Eintrittsstelle in die Trennkammer als Diffusor arbeitet. Die auf die schweren Feststoffpartikein wirkenden Schwer- und Zentrifugalkräfte erlauben es diesen nicht, dem Abgasstrom auf seinem nach oben führenden Bogen bis zum Übernahmekanal zu folgen, so daß die Partikeln in die Trennkammer hinabgleiten.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist vorgesehen, daß sich der Strömungskanal bis zum Eintritt in die Trennkammer stetig verjüngt, um eine kontinuierliche Beschleunigung des Abgasstromes zu erreichen. An der Eintrittstelle zur Trennkammer mit ihrer diffusorartigen Erweiterung des Strömungskanals wird der Gasstrom verzögert und umgelenkt, so daß Strömungsenergie als Druck zurückge¬ wonnen wird.

Wichtig ist auch, daß die Umlenkung des Gasstromes im Diffusor so erfolgt, daß keine Rückvermischung mit bereits abgetrennten Feststoffpartikein entsteht. Ein wirksames Mittel besteht darin, den Eintritt in den Übernahmekanal in einem ausreichenden Ab¬ stand zum Austritt des Strömungskanals zu positionieren, wobei zweckmäßiger Weise der Gasstrom auch einen Wendepunkt durchlaufen sollte, hinter dem es wieder nach oben geht.

Während in herkömmlichen Zyklonen die Feststoffpartikein zusammen mit dem Gas¬ strom die senkrechte Zyklonachse mehrfach umrunden, genügt es bei der vorliegen¬ den Anordnung, daß die Zirkulation des Gasstroms um die horizontal liegende Zyklo¬ nachse herum bis zum Eintritt in den Übernahmekanal einen Teilkreis beschreibt, der einer Drehung von weniger als 360 Grad entspricht.

Für den Gesamtaufbau von besonderem Vorteil ist, daß der innerhalb des kreisartigen Bogens liegende Raum dazu genutzt wird den Übernahmekanal koaxial zur Zyklo¬ nachse anzuordnen.

Zur Aufnahme des von den abgetrennten Feststoffpartikein gereinigten Gasstroms im Übernahmekanal muß eine Aufnahmeöffnung vorgesehen werden. Hierzu ist als erste Alternative denkbar, daß sich die Aufnahmeöffnung parallel zur Zyklonachse erstreckt und nach unten der Trennkammer zugewandt ist. Eine zweite Alternative könnte darin bestehen, daß die Aufnahmeöffnung sich vertikal oder im Winkel zur Zyklonachse er¬ streckt.

Einen besonders kompakten Aufbau erhält man, wenn die Brennkammer und die Trennkammer in einer Reaktorbaueinheit miteinander vereinigt werden und zwischen beiden eine Trennwand liegt, an deren oberen Ende sich auf der Seite der Trennkam¬ mer der Übernahmekanal anschließt

Die Gestaltung des Strömungskanals vereinfacht sich dadurch, daß er ohne zusätzli¬ che Einbauten einerseits durch die Außenkontur des Übernahmekanals und anderer¬ seits durch die Innenseite der Außenwand der Reaktorbaueinheit gebildet ist. Seine höchste Geschwindigkeit erreicht der Gasstrom im Strömungskanal an seiner engsten Stelle vor dem Eintritt in die Trennkammer. Für das Abtrennen der Partikel besonders günstig ist eine Geschwindigkeit von 10 bis 60 m/s.

Die Anordnung des Übernahmekanals unmittelbar hinter dem Ausgang der Brennkam¬ mer ermöglicht nicht nur zwischen dieser und der Trennkammer einen kompakten Ver¬ bund, sondern ermöglicht auch den unmittelbaren Anschluß des Konvektionsteils. Hierdurch ist es dann weiterhin möglich den Konvektionsteil in die aus Trenπkammer und Brennkammer bestehende Reaktorbaueinheit zu integrieren, wodurch eine weite¬ re Trennwand zwischen der Trennkammer und dem Konvektionsteil zu liegen kommt.

Die bei herkömmlichen Reaktoren benötigten Kompensatoren können dadurch entfal¬ len, daß alle Wände in der Reaktorbaueinheit als Membranwände mit Siedewasser

führenden Rohren aufgebaut sind, wodurch vermieden wird, daß unzulässige Wärme¬ spannungen entstehen.

Die erfindungsgemäße Trennkammer wird man vorzugsweise in Verbindung mit einer Brennkammer für eine zirkulierende Wirbelschichtfeuerung vorsehen. Die aus dem Abgasstrom ausgeschiedenen Feststoffpartikel im Bereich des Trennkammerbodens kann man wegen des kompakten Aufbaus auf kurzem Weg über eine Rückführöffnung wieder in die Brennkammer leiten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig 1 einen Reaktorblock seitlich im Schnitt mit Blick auf die Brenn- und die

Trennkammer, Fig. 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A nach Fig. 1 ,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem Reaktorblock entsprechend Fig. 1 mit einem modifiziertem Übernahmekanal, Fig. 4 einen Schnitt entlang der Schnittlinie B-B nach Fig. 3.

Wie die stark vereinfachten Prinzipdarstellungen der Fig. 1 bis 4 erkennen lassen, sind ein ZWS-Reaktor 1, eine Trennkammer 15 und ein Konvektionsteil 11 in einer Reaktorbaueinheit integriert, ln den Reaktor 1 wird körniger Feststoff eingebracht und durch Zugabe von Primärluft 2 verwirbelt und und es findet die gewünschte Reaktion statt. Da die Geschwindigkeit des Gasstromes in der Brennkammer größer als die Sinkgeschwindigkeit der Feststoffpartikein ist, wird ein Teil der Feststoffpartikein mit¬ gerissen und über den Gasstrom oben aus dem ZWS-Reaktor 1 ausgetragen.

Unmittelbar hinter der Brennkammer 1 erreicht der Gasstrom die Eintrittsöffnung 3 ei¬ nes Strömungskanals 4, der durch die Innenseite einer Außenwand 5 und die Außen¬ seite einer Wand 6 des Übernahmekanals 4 gebildet wird. Durch eine in Strömungs¬ richtung zunehmende Verengung des Strömungskanals 4 wird eine stetige Beschleu¬ nigung des Gasstroms erzeugt, die an der engsten Stelle 8 mit einer Querschnittsflä-

che x ihren höchsten Wert erreicht. Die Fläche x ist so gewählt, daß die Strömungs¬ geschwindigkeit hier zwischen 10 und 60 m/s liegt.

Hinter der engsten Stelle 8 öffnet sich der Strömungskanal 4 zur Trennkammer 15 hin. Die durch die Querschnittserweiterung erzeugte Diffusorwirkung verzögert den Gas¬ strom, der gleichzeitig entlang eines Bogens 17 umgeleitet wird. Hierbei erfolgt die Trennung von Gas und Feststoff, da die Feststoffpartikein, die größer als das Trenn¬ korn der zyklonartigen Anordnung sind, durch ihre Massenträgheit der Umlenkung nicht folgen können. Eine Rückvermischung, wie sie bei üblichen Zyklonen auftreten kann, wird durch diese Anordnung vermieden. Der an einer Außenwand 9 der Trenn¬ kammer herabrutschende Feststoff kann nicht mehr vom Gasstrom erfaßt werden. Die Feststoffpartikein gelangen so zu einer Rückführöffnung 10 im Bodenbereich der Trennkammer 15 und werden von dort wieder dem ZWS-Reaktor zugeführt. Da der ZWS-Reaktor 1 gegenüber der Trennkammer 15 abgedichtet sein muß, kann man z.B. mit einem hier nicht dargestellten, im Boden der Trennkammer eingebauten Sy- phon arbeiten.

Der Gasanteil des Gasstromes und die Feststoffpartikel, die kleiner als das Trennkorn sind, verlassen die Trennkammer 15 durch einen waagrecht liegenden Übernahmeka¬ nal 7 und gelangen so in den Konvektionsteil 11 der Anlage. Wie insbesondere die Fig. 2 und 4 verdeutlichen, sind zwei Varianten zur Gestaltung einer Zuführöffnung 14, 18 des Übernahmekanals 7 denkbar. Bei der Variante nach den Fig. 1 und 2 en¬ det der koaxial zur Zyklonachse 16 angeordnete rohrförmige Übernahmekanal vor einer vertikalen Außenwand der Trennkammer 1 und bildet hier seine Zuführöffnung 18. Die Öffnungsfläche kann sich dabei vertikal erstrecken oder auch abgewinkelt sein und mit der besagten Außenwand einen sich zur Trennkammer hin öffnenden Trichter bilden. Bei dem Beispiel nach den Fig. 3 und 4 wird die Zuführöffnung durch eine Aussparung gebildet, die sich horizontal entlang der Mantelfläche des Übernah¬ mekanals 7 erstreckt, vorzugsweise unmittelbar angrenzend an eine Trennwand 13a zum ZWS-Reaktor 1.

Die Wände der Trennkammer 15, des ZWS-Reaktors 1 , des Konvektionsteils 11 und die verbindenden Trennwände 13a, 13b sind als siedewasserführende Membranwän-

de ausgeführt. Dadurch werden unzulässige Wärmespannungen vermieden und auf¬ wendige Kompensatoren sind nicht mehr notwendig. Dickes Mauerwerk ist nicht erfor¬ derlich, weil die Feststoffpartikein nicht mit der hohen, bei Zyklonen üblichen Energie auf die Wände auftreffen. Nur in erosionsgefährdeten Bereichen erfolgt eine Ausklei¬ dung mit einer dünnen Verschleißschutzschicht. Die Anfahrzeit der Kesselanlage wird dadurch merklich verkürzt und der Aufbau leichter und weniger aufwendig.

Bβ7uqszeichenliste

ZWS-Reaktor (1 ) Primärluft (2) Eintrittsöffnung (3) Strömungskanal (4) Außenwand (5)

Wand des Übernahmekanals (6) Übernahmekanal (7) engste Stelle (8) Außenwand (9) Rückführöffnung (10) Konvektionsteil (11 ) Heizflächen (12) erste Trennwand (13a) zweite Trennwand (13b) Zufuhröffnung (14) Trennkammer (15) Übernahmekanal (16) Bogen (17) Zuführöffnung (18)