| WO/2001/036887 | A FLUIDIZED BED APPARATUS |
| JP01095281 | DRIER HAVING HIGH-SPEED FLUIDIZED BED |
| WO/1994/020805 | DRYING WET-MILLED CORN GERM |
MOSER, Claus (Statthalterhofweg 13, Köln, 50858, DE)
KLUTZ, Hans-Joachim (Otterdriesch 13, Erftstadt, 50374, DE)
MOSER, Claus (Statthalterhofweg 13, Köln, 50858, DE)
| Patentansprüche 1. Indirekt beheizter Wirbelschicht-Trockner (1 ) zur Trocknung von feuchten, feinkörnigen Schüttgütern umfassend ein Gehäuse (2) mit einem Begasungsboden (6), mit sich oberhalb des Begasungsbodens (6) erstreckenden Wärmetauschereinbauten und mit wenigstens einer unterhalb des Begasungsbodens (6) vorgesehenen Austragseinrichtung für das getrocknete Schüttgut, dadurch gekennzeichnet, dass der nutzbare Strömungsquerschnitt des Gehäuses (2) im Bereich der Wärmetauschereinbauten bei konstantem Querschnitt über die gesamte Höhe der Wärmetauschereinbauten in Strömungsrichtung des Fluidisierungsgases zunimmt. 2. Wirbelschicht-Trockner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) einen rechteckigen, vorzugsweise quadratischen Querschnitt aufweist. 3. Wirbelschicht-Trockner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungsdichte der Wärmetauschereinbauten in Strömungsrichtung des Fluidisierungsgases abnimmt. 4. Wirbelschicht-Trockner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmetauscher Rohrbündel und/oder Plattenpakete vorgesehen sind, die zu Segmenten (11a, b, c) unterschiedlicher Rohrteilung und/oder unterschiedlicher Plattenabstände zusammengefasst sind. 5. Wirbelschicht-Trockner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmetauscher Rohrbündelwärmetauscher (9) vorgesehen sind, die segmentweise mit unterschiedlichen Rohrdurchmessern und/oder unterschiedlichen Abständen zueinander angeordnet sind. 6. Wirbelschicht-Trockner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei, vorzugsweise drei Wärmetauschersegmente in Strömungsrichtung des Fluidisierungsgases hintereinander angeordnet sind. 7. Wirbelschicht-Trockner, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle Wärmtauschersegmente eine etwa gleiche Wärmetauschfläche aufweisen. 8. Wirbelschicht-Trockner, nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dad urch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinbauten mehrgängig, vorzugsweise dreigängig ausgebildet sind, wobei jedes Segment an einen Kondensatsammler (13a, b, c) angeschlossen ist. 9. Wirbelschicht-Trockner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein trichterförmiger Auslauf (7) vorgesehen ist, der geometrisch so gestaltet ist, dass sich bei Abzug von Schüttgut Massenfluss einstellt. 10. Wirbelschicht-Trockner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steilheit der Umfassungswände des Auslaufs (7) so gewählt ist, dass sich bei Abzug von Schüttgut Massenfluss einstellt. |
Die Erfindung betrifft einen indirekt beheizten Wirbelschicht-Trockner zur Trocknung von feuchten, feinkörnigen Schüttgütern, wie beispielsweise Braunkohle, umfassend ein Gehäuse mit einem Begasungsboden, mit sich oberhalb des Begasungsbodens erstreckenden Wärmetauschereinbauten und wenigstens einer unterhalb des Begasungsbodens vorgesehenen Austragseinrichtung für das getrocknete Schüttgut.
Ein solcher Wirbelschicht-Kontakttrockner ist beispielsweise aus der DE 196 20 047 A1 bekannt.
Bei der Aufbereitung von Braunkohle als Kesselkohle zur Verbrennung in einem Dampferzeuger ist es bekannt, diese in Schlagrad- und Hammermühlen, die ein Teil des Kraftwerkskessels sind, gleichzeitig zu zerkleinern und zu vermählen (Mahltrocknung), wobei die für die Trocknung erforderliche Trocknungsenergie durch einen abgezweigten Rauchgasstrom aufgebracht wird.
Wie dies bereits im Stand der Technik beschrieben ist, kann die Trocknung von grubenfeuchter Rohbraunkohle in einem Wirbelschicht-Trockner energetisch günstiger sein. Wirbelschicht-Kontakttrockner sind allerdings konstruktiv aufwendige Apparate. Es gibt deshalb Bemühungen, das Wirbelschichtverfahren so zu gestalten, dass die Investitionskosten für den Trockner möglichst niedrig gehalten werden können. Beispielsweise in der DE 196 20 047 A1 wird hierzu vorgeschlagen, das Verfahren so zu gestalten, dass in dem Wirbelschicht- Trockner mit verhältnismäßig hohen Strömungsgeschwindigkeiten gearbeitet werden kann, so dass der Trockner eine verhältnismäßig kleine Querschnitts- und damit Grundfläche aufweisen kann.
Für den Wärmeübergang im Wirbelbett bzw. in der Wirbelschicht ist allerdings eine allzu hohe Strömungsgeschwindigkeit des den Trockner durchströmenden Gases nicht wünschenswert. Ab einer kritischen Geschwindigkeit kommt die stationäre Wirbelschicht in einen instabilen Bereich, weil der Austrag an feinstkörnigem Material aus der Wirbelschicht ansteigt. Hierdurch stellt sich eine Vergröberung des Bettmaterials der Wirbelschicht ein, was sich negativ auf die Strömungsmechanik und die Wärmeübertragung in der Wirbelschicht auswirkt.
Durch die Verdampfung von Wasser innerhalb des Trockners nimmt der Brüdenmassenstrom in Strömungsrichtung zu, was einen entsprechenden
Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit des Gases bzw. der Brüden innerhalb des Trockners bewirkt.
Gemäß der Theorie der Wärmeübertragung in Wirbelschichten ist das Maximum des Wärmeüberganges einem bestimmten Expansionszustand der Wirbelschicht bzw. einer bestimmten Geschwindigkeit in der Wirbelschicht zugeordnet. Daraus resultiert, dass eine übermäßige Expansion der Wirbelschicht die Wirkungsweise des Wärmetauschers verschlechtert. Darüber hinaus verschlechtert eine Vergröbung des Bettmaterials durch Feinkomaustrag ebenfalls die Wirkungsweise des Trockners.
In der EP 0 341 347 A1 ist ein Wirbelschicht-Kontakttrockner beschrieben, dessen Gehäuse von mindestens einem Trog gebildet wird, in dem jeweils ein von kondensiertem Dampf durchströmter Wärmetauscher in Form eines Geradrohrbündels in mehreren Dampfgängen mit sich erheblich verringender Rohranzahl bzw. Dampfquerschnitt angeordnet ist. Die Rohre sind in den Trögen des Kontakt-Trockners so angeordnet, dass sich eine gleichmäßige Teilung des Heizregisters ergibt.
Durch die Maßnahme gemäß EP 0 341 347 wird eine im Wesentlichen konstante Strömungsgeschwindigkeit des Heizdampfes innerhalb des Rohrbündelwärmetauschers erzielt. Die Lösung gemäß EP 0 341 347 A1 ist allerdings mit dem Nachteil behaftet, dass die Querschnittsfläche des Trocknergehäuses nicht über dessen Höhe im Bereich der Wärmetauschereinbauten konstant ist. Dies führt zu strömungsmechanischen Störungen im Wirbelbett, was schon aus Gründen einer Leistungsoptimierung nicht wünschenswert ist. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wirbelschicht-Trockner der eingangs genannten Art im Hinblick auf einen möglichst optimalen Wärmeübergang zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen indirekt beheizten Wirbelschicht-Trockner zur Trocknung von feuchten, feinkörnigen Schüttgütern, umfassend ein Gehäuse mit einem Begasungsboden mit sich oberhalb des Begasungsbodens erstreckenden Wärmetauschereinbauten und mit wenigstens einer unterhalb des Begasungsbodens vorgesehenen Austragseinrichtung für das getrocknete Schüttgut, wobei sich der Wirbelschicht-Trockner gemäß der Erfindung dadurch auszeichnet, dass der nutzbare Strömungsquerschnitt des Gehäuses im Bereich der Wärmetauschereinbauten bei konstanter Querschnittsfläche des Gehäuses über dessen Höhe im Bereich der Wärmetauschereinbauten in Strömungsrichtung des Fluidisierungsgases zunimmt.
Bevorzugt besitzt das Gehäuse des Wirbelschicht-Trockners gemäß der Erfindung einen rechteckigen, vorzugsweise einen quadratischen Querschnitt.
Es ist selbstverständlich auch möglich, dass das Gehäuse einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
So wird in vorteilhafter Art und Weise eine übermäßige Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit des Gases bzw. des Brüdens über die Höhe des Gehäuses vermieden. Dadurch reduziert sich der Staubaustrag des Feinkornanteils der Wirbelschicht, wodurch sich der Wärmeübergang an den Kontaktflächen der Wärmetauschereinbauten verbessert.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des Wirbelschicht-Trockners gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Packungsdichte der Wärmetauscher- einbauten in Strömungsrichtung des Fluidisierungsgases abnimmt. Hierdurch ist es ohne zusätzliche Einbauten möglich, bei konstantem Querschnitt des Gehäuses über die Höhe der Wärmetauscher den nutzbaren Strömungsquerschnitt des Gehäuses zu vergrößern mit der Folge einer Verringerung der Geschwindigkeitszunahme bei zunehmendem Brüdenmassenstrom. Bei einer bevorzugten Variante des Wirbelschicht-Trockners gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass als Wärmetauscher Rohrbündel und/oder Plattenpakete vorgesehen sind, die zu Segmenten unterschiedlicher Rohrteilung und/oder unterschiedlicher Plattenabstände zusammengefasst sind.
Beispielsweise können als Wärmetauscher Rohrbündel vorgesehen sein, die segmentweise mit unterschiedlichen Rohrdurchmessern und /oder unterschiedlichen Abständen zueinander angeordnet sind. Zweckmäßigerweise nehmen die Rohrdurchmesser in Strömungsrichtung des Fluidisierungsgases ab oder deren Abstände werden in Strömungsrichtung größer.
Es können wenigstens zwei oder vorzugsweise drei Wärmetauschersegmente beispielsweise in Form von Heizregistern in Strömungsrichtung des Fluidisierungsgases hintereinander angeordnet sein bzw. hintereinander geschaltet sein.
Bei einer bevorzugten Variante des Wirbelschicht-Trockners gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass alle Wärmetauschersegmente eine etwa gleiche Wärmetauschfläche aufweisen, so dass sich in den Wärmetauscherrohren ein im Mittel fallendes Geschwindigkeitsniveau einstellt.
Die Wärmetauschereinbauten können mehrgängig ausgebildet sein, vorzugsweise sind die Wärmetauschereinbauten dreigängig ausgebildet, wobei jeder Gang an einen Kondensatsammler angeschlossen ist. Durch letztere Maßname werden Druckverluste aufgrund von mitgeschlepptem Kondensat vermieden. Durch die mehrgängige Anordnung der Wärmetauscherrohre wird der Wärmeübergang auf der Innenseite der dampfbeheizten Rohre erhöht, was dazu beiträgt, dass der Wärmedurchgangskoeffizient und damit die Effizienz der Wärmeübertragung in Summe verbessert wird.
Insbesondere durch die Erweiterung der Rohrteilung in Strömungsrichtung oder durch die Verringerung der Rohrdurchmesser in Strömungsrichtung werden die für das Strömungsverhalten entscheidenden freien Flächen zwischen den Rohren vergrößert. Dadurch wird der Anstieg der Geschwindigkeit durch den nach oben zunehmenden Dampfmassenstrom verringert. Hierdurch wird der Staubaustrag reduziert, eine Vergröberung des Wirbelbetts wird wirksam vermieden. Die Wärmeübertragung wird durch Annäherung der Zwischenrohrgeschwindigkeit an das für die Wärmübertragung theoretische Optimum verbessert. Darüber hinaus wird die spezifische Verdampfungsleistung in kg/m 2 h bis zum Erreichen der kritischen Geschwindigkeit erhöht.
Eine Variante des Wirbelschicht-Trockners gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein trichterförmiger Auslauf vorgesehen ist, der geometrisch so gestaltet ist, dass sich bei Abzug von Schüttgut Massenfluss einstellt. Das bedeutet, dass sich der gesamte Inhalt des Auslaufs bei Materialabzug in Bewegung befindet. Es existieren keine oder allenfalls minimale Totzonen bzw. ruhende Schüttgutzonen. Das Gegenteil hiervon wird im Allgemeinen als so genannter Kernfluss bezeichnet, der unter Umständen eine Störung der
Fluidisierung der Wirbelschicht verursachen kann. Dies kann beispielsweise dann eintreten, wenn sich auf dem Festbett unterhalb des Begasungsbodens Ablagerungen kumulieren, die bei Materialabzug nicht bewegt werden.
Bevorzugt ist die Steilheit der Umfassungswände des Auslaufs so gewählt, dass sich bei Abzug von Schüttgut Massenfluss einstellt, das heißt, dass bei Materialabzug das gesamte Festbett an jeder Stelle in Bewegung ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines Wirbelschicht-Trockners gemäß der Erfindung und
Figur 2 einen Schnitt durch den Wirbelschicht-Behälter aus Figur 1 um 90° versetzt. Der in Figur 1 dargestellte Wirbelschicht-Trockner (1 ) weist ein Gehäuse (2) mit einem rechteckigen Querschnitt auf. An der oberen Stirnseite (3) des Wirbelschicht-Trockners (1 ) ist als Rohbraunkohleneintrag ein Einfüllrohr (4) mit einer Zellenradschleuse (5) vorgesehen. An dem von der oberen Stirnseite (3) abliegenden unteren Ende des Wirbelschicht-Trockners (1) ist unterhalb eines Begasungsbodens (6) ein trichterförmiger Auslauf (7) vorgesehen, an dessen unterem Ende ein mechanischer Austrag, beispielsweise in Form einer Zellenradschleuse (5,) vorgesehen ist. Anstelle dessen könnte dort als mechanischer Austrag auch ein Schneckenförderer oder dergleichen vorgesehen sein. Der Wirbelschicht-Trockner (1 ) gemäß Ausführungsbeispiel ist vorwiegend zur Trocknung von Braunkohle vorgesehen und wird unter Bezugnahme auf ein Verfahren zur Trocknung von Braunkohle beschrieben, die Erfindung ist jedoch so zu verstehen, dass der Trockner auch zur Trocknung anderer körniger Stoffe Anwendung finden kann.
Der Begasungsboden (6) ist auf seiner dem Materialabzug (7) abgekehrten Seite mit Düsen (8) zum Einbringen eines Fluidisierungsgases vorgesehen. Als Fluidisierungsgas bzw. Wirbelmedium kommt Wasserdampf in Betracht. Zur Fluidisierung der Braunkohle in dem Wirbelschicht-Trockner (1 ) kann beispielsweise ein Teilstrom aus dem den Wirbelschicht-Trockner verlassenen Brüden hinter einem Elektrofilter abgezweigt werden.
Oberhalb des Begasungsbodens (6) erstrecken sich quer zum Gasstrom und gegebenenfalls leicht geneigt Wärmetauschereinbauten in Form von Rohrbündeln
(9) oder in Form von Platten, die von Dampf als Heizmedium durchströmt werden.
Die beispielsweise mit einer Körnung von 0 bis 2 mm und einem Wassergehalt von bis zu 65 Gew.% in den Wirbelschicht-Trockner (1 ) eingebrachten Braunkohlen werden oberhalb des Begasungsbodens (6) mittels des
Wirbelmediums in einer quasi stationären Wirbelschicht gehalten, wobei das Wirbelschichtniveau in dem Wirbelschicht-Trockner (1 ) mit dem Bezugszeichen
(10) gekennzeichnet ist. Die Braunkohlenkörner in der Wirbelschicht gelangen dabei in Kontakt mit den das Gehäuse quer durchsetzenden Rohrbündel- Wärmetauschern (9), die in drei Segmenten 11a, 11 b und 11c in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Bei Temperaturen von etwa 105 bis 12O 0 C werden mehr als 50% des ursprünglichen Gewichts der zu trocknenden Kohle als Wasser verdampft. Durch die Verdampfung des Kohlenwassers nimmt der Brϋdenmassenstrom im Bereich der in der Wirbelschicht eingebauten
Rohrbündelwärmetauscher (9) nach oben hin kontinuierlich zu. Damit steigt auch die Geschwindigkeit der Brüden entsprechend an.
Ab einer kritischen Geschwindigkeit kommt die stationäre Wirbelschicht in einen instabilen Bereich und der Staubaustrag des Feinkohlenanteils der Wirbelschicht steigt stark an. Hiervon sind im Wesentlichen die Partikelgröße von kleiner 300μm betroffen. Hierdurch stellt sich eine Vergröberung des Bettmaterials der Wirbelschicht ein, was sich negativ auf die Strömungsmechanik und die Wärmeübertragung in der Wirbelschicht auswirkt.
Aus diesem Grund sind die Wärmetauschereinbauten in Form der Rohrbündelwärmetauscher bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen mit in Strömungsrichtung zunehmender Teilung ausgeführt, so dass sich hierdurch bei gleichbleibendem Querschnitt bzw. Durchmesser des Gehäuses über die gesamte Höhe der Wärmetauschereinbauten eine Vergrößerung des Nutzquerschnitts des Gehäuses (2) ergibt.
Der größere Abstand der Rohre der Rohrbündelwärmetauscher (9) zueinander kann entweder dadurch erreicht werden, dass weniger Rohre mit größerem Abstand in einem Segment angeordnet werden oder dass die Rohre in Strömungsrichtung mit einem verringerten Durchmesser ausgeführt sind.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Abstand der Rohre zueinander in dem dem Begasungsboden (6) nächstliegenden Segment 11a kleiner ist als in dem darauffolgenden Segment 11 b. In dem oberen Segment 11c ist der Abstand der Rohre des Rohrbündelwärmetauschers (9) am größten, so dass dort der strömungstechnisch nutzbare Querschnitt des Gehäuses (2) am größten ist, was einer Geschwindigkeitszunahme des Brüdenmassenstroms in Strömungsrichtung entgegenwirkt. Über die Brüdenabgänge (12) wird der Brüden aus dem Wirbelschicht-Trockner (1 ) abgeführt.
Die Wärmetauscheinbauten im Gehäuse (2) sind als dreigängiger Rohrbündelwärmetauscher mit insgesamt drei Kondensatsammlern (13a, b, c) ausgeführt. Der heiße Dampf als Heizmedium wird über den mit (14 ) bezeichneten Dampfeintritt in den das Gehäuse (2) vollständig durchsetzenden Rohrbündel- wärmtauscher (9) in dem ersten, oberen Segment 11a eingeleitet. Die quer und gegebenenfalls leicht geneigt zur Strömungsrichtung des Wirbelmediums laufenden Rohre werden von dem Heizmedium durchströmt, welches auf der gegenüberliegenden Seite des Dampfeintritts (14) in den Kondensatsammler (13a) strömt. Das dort anfallende Kondensat wird separat abgezogen. Über den Kondensatsammler (13a) strömt das Heizmedium zurück in den auf der Seite des Dampfeintritts (14) vorgesehenen Kondensatsammler (13b) und von dort in den untersten Kondensatsammler 13c. Die Segmente 11a, b, c bzw. die Heizregister 11a, b, c sind so ausgestaltet, dass deren Wärmetauschfläche etwa gleich ist, so das sich in den einzelnen Gängen ein im Mittel fallendes Geschwindigkeitsniveau einstellt.
Die getrocknete Braunkohle sammelt sich in dem trichterförmigen Auslauf (7). Trichterförmig im Sinne der Erfindung bedeutet nicht notwendigerweise, dass der Querschnitt des Auslaufs kreisringförmig ausgebildet ist. Die Neigung der Umfassungswände des Auslaufs (7) ist so gewählt, dass sich bei Materialabzug, beispielsweise mit der Zellenradschleuse Massenfluss einstellt. Massenfluss bedeutet im Gegensatz zum Kernfluss, dass der gesamte Trichterinhalt in Bewegung ist, so dass sich das Festbett unterhalb des Begasungsbodens (6) bei Materialabzug gleichmäßig absenkt. Es existieren keine oder allenfalls minimale Totzonen, d. h. ruhende Schüttgutzonen. Die Schüttgutoberfläche bzw. das Festbett senkt sich nahezu gleichmäßig ab. Bezuαszeichenliste:
1. Wirbelschicht-Trockner
2. Gehäuse 3. Stirnseite
4. Einfüllrohr
5. Zellenradschleuse
6. Begasungsboden
7. Auslauf 8. Düsen
9. Rohrbündelwärmetauscher
10. Wirbelschichtniveau
11a, b, c Segmente
12 Brüdenabgang 13a, b, c Kondensatsammler
14 Dampfeintritt