I. Anwendungsgebiet Die Erfindung betrifft einen Wirbelschicht-Reaktor sowie ein Verfahren zu seinem Betrieb.

II. Technischer Hintergrund

Bei einer Wirbelschicht wird eine Schüttung aus Feststoff so von unten mit einem Fluidisierungsmedium angeblasen, dass die Adhäsionskräfte zwischen den Teilchen der Schüttung überwunden werden und die Teilchen im Strom des Fluidisierungsmediums schweben. Man nennt diesen Zustand fluidisiert.

Ziel einer Wirbelschicht ist es, durch die Bewegung der fluidisierten Teilchen der Wirbelschicht gleichmäßige Verhältnisse, vor allem hinsichtlich der Temperatur, in der Wirbelschicht herzustellen.

Sofern Teilchen mit dem Fluidisierungsstrom mitgerissen und ausgetragen werden, spricht man von einer zirkulierenden Wirbelschicht, ansonsten von einer stationären Wirbelschicht. Beim Betrieb einer Wirbelschicht ist es anzustreben, dass alle Bereiche der Feststoffschüttung gleichmäßig angebla- sen werden, um Schieflagen zu vermeiden. Hierzu werden am unteren Ende der Wirbelschicht Düsen eng nebeneinander angeordnet, durch die das Fluidisierungsmedium in die Feststoffschüt- tung geblasen wird. Diese Ebene wird auch Fluidisierungsebene genannt. In die Wirbelschicht werden üblicherweise Stoffe eingebracht, die unter der Einwirkung der Temperatur sowie der erosiven Kräfte des fluidisierten Bettmaterials sowie weiterhin des Fluidisierungsmediums chemische oder physikalische Reaktionen unterworfen sind. Dies können zum Beispiel Trock- nungs-, aber auch Verbrennungs- oder Vergasungsreaktionen sein.

Finden nun in der Wirbelschicht Verbrennungs- oder Vergasungsreaktionen von Feststoffen statt, so wird der eingebrachte Stoff zumeist als Brennstoff bezeichnet. Zunächst wird aus dem Brennstoff das enthaltene Wasser ausgetrieben, danach die flüchtigen Bestandteile. Zuletzt verbleibt vom Brenn- stoff ein Gerüst aus Asche und festem Kohlenstoff im Bettmaterial übrig.

Die Wirbelschicht verhält sich hinsichtlich des Feststoffinventars wie eine Flüssigkeit. Spezifisch leichtere Teilchen als die Schüttdichte des Bettmaterials im fluidisierten Zustand schwimmen eher im oberen Bereich auf, wäh- rend spezifisch schwerere Teilchen eher nach unten absinken. Sind Teilchen spezifisch leicht genug, werden sie mit dem Gasstrom aus der Wirbelschicht ausgetragen.

Es ist zu ergänzen, dass nicht nur das spezifische Gewicht eine Rolle spielt, sondern auch die Oberfläche eines Teilchens, da die auf das Teilchen wirkende Schwerkraft ab dem Verlassen der Wirbelschicht kleiner sein muss als die Auftriebskräfte, die durch die Reibung des Fluidisierungsmediums an der Oberfläche des Teilchens auf dieses wirken. Der Austrag der leichten Teilchen aus der Wirbelschicht ist erwünscht, jedoch erst, nachdem die Reaktionen vollständig abgelaufen sind, denen die Teilchen unterworfen werden sollen. Bei Trocknungsvorgängen und bei Verbrennungsreaktionen ist dies zumeist der Fall, nicht jedoch bei Vergasungs- reaktionen. Bei Vergasungsreaktionen läuft die Vergasung des fixen Kohlenstoffs unter Sauerstoffmangel oder unter Wasserdampfatmosphäre in einer Gleichgewichtsreaktion ab, bei der der Kohlenstoff nur in sehr erheblicher Zeit nahezu vollständig reagiert.

III. Darstellung der Erfindung a) Technische Aufgabe

Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Vergasung von Festbrennstoffen in einer Wirbelschicht zur Verfügung zu stellen, bei der die Verweildauer der Brennstoffpartikel in der Wirbelschicht ausreichend lang für den Vergasungsprozess ist.

b) Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst. Vor- teilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Vorgehensweise, oberhalb der ersten Wirbelschicht eine zweite Wirbelschicht zu betreiben, die beide nacheinander von den Festbrennstoffpartikeln durchlaufen werden müssen, und wobei die Strömungsgeschwin- digkeit des Fluidisierungsmediums in der zweiten, oberen Wirbelschicht geringer ist als in der ersten, unteren Wirbelschicht, bewirkt insgesamt, vor allem in der zweiten Wirbelschicht, eine längere Verweildauer der Festbrennstoffpartikel. Vor allem jedoch wird durch die geringere Strömungsgeschwindigkeit in der zweiten, oberen Wirbelschicht der Tatsache Rechnung getragen, dass die Festbrennstoffpartikel, bis sie die zweite Wirbelschicht erreichen, bereits viel Gewicht verloren haben durch Verdunstung von Wasser, Vergasen bereits eines Teils des vorher vorhandenen festen Kohlenstoffes und teilweise auch Verbrennen eines Teils des vorher vorhandenen festen Kohlenstoffes. Daher werden bereits von geringeren Strömungsgeschwindigkeiten des Fluidisie- rungsmediums die Adhäsionskräfte zwischen den Partikeln überwunden, und bei zu hoher Strömungsgeschwindigkeit kann auch ein Austrag der Partikel aus der Wirbelschicht nach oben erfolgen.

Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise wird also erreicht, dass in der unteren Wirbelschicht das anfangs noch schwere Festbrennstoffpartikel ge- trocknet und zum Teil verbrannt und/oder vergast wird, und nach Verbringen in die zweite obere Wirbelschicht das dann bereits deutlich leichtere Partikel weiter vergast wird, insbesondere bis es sich vollständig in Gasform umgewandelt hat oder ein bestimmtes Minimalgewicht unterschritten hat. Das Durchlaufen der Festbrennstoffpartikel von beiden Wirbelschichten nacheinander ist besonders einfach erreichbar, indem die beiden Wirbelschichten von dem gleichen Fluidisierungsmedium durchströmt werden und/oder auch das Bettmaterial der beiden Wirbelschichten das gleiche ist und zumindest teilweise zwischen der ersten und zweiten Wirbelschicht zir- kuliert.

Ferner muss häufig in die obere, zweite Wirbelschicht zusätzliche Wärme eingebracht werden, um den Vergasungsprozess des Festbrennstoffes dort voranzutreiben.

Dies kann mittels konventioneller Methoden von außen geschehen, bevorzugt jedoch wird Wärme aus der ersten Wirbelschicht in die zweite Wirbelschicht transportiert. Dies kann beispielsweise mittels ebenfalls konventioneller Techniken oder mittels Heat-Pipes geschehen, bevorzugt jedoch dadurch, dass ein Teil der Partikel des Bettmaterials und/oder der Partikel des Festbrennstoffe aus der unteren ersten Wirbelschicht s bis in die zweite Wirbelschicht hoch ge- schleudert werden und auf diese Art und Weise ein Wärmeübertrag von der ersten in die zweite Wirbelschicht geschieht. Dies kann durch entsprechende Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluidisierungsmediums in der unteren ersten Wirbelschicht erfolgen.

Die Strömungsgeschwindigkeit des beide Wirbelschichten durchströmenden Fluidisierungsmediums kann in der zweiten Wirbelschicht relativ zur ersten Wirbelschicht dadurch eingestellt werden, dass der - insbesondere horizontal gemessene - Querschnitt der Reaktionskammer, der gleichzeitig der Strömungsquerschnitt für das Fluidisierungsmedium ist, im Bereich der zweiten Wirbelschicht entsprechend größer gewählt wird als im Bereich der ersten Wirbelschicht.

Ziel ist es dabei insbesondere, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Flui- disierungsmediums im Bereich der zweiten Wirbelschicht nur das maximal 0,8-fache, besser nur max. das 0,6-fache, besser nur maximal das 0,1- fache, der Strömungsgeschwindigkeit des Fluidisierungsmediums in der ersten Wirbelschicht beträgt. Vorzugsweise werden die Strömungsgeschwindigkeiten des Fluidisierungsmediums in den beiden Wirbelschichten so gewählt, dass in der oberen, zweiten Wirbelschicht nur Partikel des Festbrennstoffes dauerhaft verbleiben, die eine Größe von mehr als ΙΟΟμιτι besitzen, besser von mehr als 200μηη.

Und/oder stattdessen kann die Strömungsgeschwindigkeit des Fluidisierungsmediums so gewählt werden, dass in der unteren ersten Wirbelschicht nur solche Partikel des Festbrennstoffes dauerhaft verbleiben, die eine Größe von mehr als 300μηη, insbesondere von mehr als 500μηη besitzen.

Damit trotz des Hochschleuderns eines Teils des Bettmaterials von der unteren in die obere Wirbelschicht die untere Wirbelschicht eine in etwa gleichbleibende Menge an Bettmaterial behält, wird ein Teil des Bettmaterials der zweiten Wirbelschicht, vorzugsweise in dem in der Aufsicht betrachteten Randbereich der zweiten, oberen Wirbelschicht bzw. dem Randbereich des Querschnitts der Reaktionskammer zwischen den beiden Wirbelschichten wieder nach unten in die erste Wirbelschicht zurücktransportiert. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem in diesen Bereichen eine geringere Strömungsgeschwindigkeit des Fluidisierungsmediums nach oben vorliegt als in den weiter zur Mitte liegenden Bereichen.

Die beschriebene Vorgehensweise kann erreicht werden, indem der dafür benutze Wirbelschicht-Reaktor wie folgt gestaltet ist:

In der Reaktorkammer ist oberhalb der ersten Wirbelschicht eine obere zweite Wirbelschicht angeordnet. Der Querschnitt der Reaktorkammer im Bereich der oberen zweiten Wirbelschicht ist - insbesondere horizontal gemessen - größer als auf der Höhe der unteren Wirbelschicht, und zwar insbesondere mindestens um den Faktor 2 größer, besser um den Faktor 5 größer.

Die Relation der Querschnitte wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass die Verweildauer der Partikel des Festbrennstoffes in der oberen zweiten Wir- belschicht mindestens doppelt, besser 5fach, besser 10fach, besser 15fach, so groß ist wie in der unteren, ersten Wirbelschicht.

Die beiden Wirbelschichten haben dabei das gleiche Bettmaterial, und es findet auch eine Zirkulation des Bettmaterials zwischen der ersten und zwei- ten Wirbelschicht statt.

Stattdessen und/oder zusätzlich werden die beiden Wirbelschichten auch von dem gleichen Fluidisierungsmedium durchströmt. Vorzugsweise gibt es in der Regel keine mechanische Trennung zwischen den beiden Wirbelschichten, ein gitterförmiger Zwischenboden, auf dem das Bettmaterial der oberen Wirbelschicht aufliegt, kann vorhanden sein, ist jedoch nicht zwingend notwendig. Insbesondere sind Einlassöffnungen für das Fluidisierungsmedium nur in der ersten, unteren Wirbelschicht vorhanden, und von dort aus strömt das Fluidisierungsmedium nach oben durch die erste Wirbelschicht, tritt aus dieser aus und in die zweite Wirbelschicht darüber ein und durchströmt auch diese.

Der größere Querschnitt der Reaktionskammer im Bereich der oberen Wirbelschicht gegenüber dem Bereich der unteren Wirbelschicht wird erreicht, indem zwischen den beiden Wirbelschichten eine Querschnittserweiterung der Reaktionskammer stattfindet, indem sich diese von unten nach oben erweitert, insbesondere konisch erweitert.

Dabei wird die Schräge der Wand der Reaktorkammer zur Lotrechten so gewählt, dass sich die nach oben gerichtete Strömung des Fluidisierungs- mediums und der darin transportierten Partikel von der Kammerwand ablöst. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Neigung der Kammerwand gegenüber der Vertikalen größer als 8°, insbesondere größer als 10° oder gar größer als 12° ist. Auf diese Art und Weise entsteht in dem Randbereich angrenzend an die Kammerwand ein Bereich, in dem die Strömungsgeschwindigkeit nach oben geringer ist als in dem weiter zur Mitte hin liegenden Bereich, sodass in diesem Randbereich vor allem Partikel des Bettmaterials der oberen Wirbelschicht, die aus der oberen Wirbelschicht nach oben ausgetragen werden, nach unten in die untere erste Wirbelschicht absinken können, ohne von dem Fluidisierungsmedium sofort wieder nach oben mitgerissen zu werden.

Durch entsprechende Einstellung vor allem dieser Wandneigung kann sichergestellt werden, dass im gleichen Maße Bettmaterial von der oberen in die untere Wirbelschicht zurückgelangt, wie es von der unteren in die obere Wirbelschicht im mittleren Bereich hochgeschleudert wird. c) Ausführungsbeispiele

Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben.

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor 12 in einer Prinzipdarstellung im Schnitt:

In der Reaktorkammer 13 befindet sich im unteren Bereich eine erste, untere Wirbelschicht 1 , in die über die Einlassöffnungen 14 im Düsenboden der Reaktorkammer 13 das Fluidisierungsmedium 11 eingebracht wird, um das Bettmaterial der Wirbelschicht zu fluidisieren.

Die Reaktorwand der Reaktionskammer 13 ist wie üblich mit einer Isolierung 7 versehen, um die Wärmeabstrahlung nach außen bei den darin stattfindenden, in der Regel bei hoher Temperatur ablaufenden, Vorgängen zu minimieren.

In Gang gesetzt wird die Wirbelschichtverbrennung üblicherweise durch ei- nen Anfahrbrenner 6, wie er seitlich in der Wand der Reaktorkammer 13 im Bereich der unteren Wirbelschicht 1 dargestellt ist.

Im Bereich der unteren Wirbelschicht 1 besitzt die Reaktorkammer 13 einen gleichbleibenden Querschnitt 16. Oberhalb, insbesondere unmittelbar ober- halb der unteren Wirbelschicht 1 vollzieht die Reaktorkammer 13 eine Querschnittserweiterung 5. In diesem Bereich der Querschnittserweiterung 5 und noch darüber hinaus befindet sich eine zweite, obere Wirbelschicht 2, die von dem gleichen Fluidisierungsmedium durchströmt wird. Im Bereich des oberen Endes der oberen zweiten Wirbelschicht 2 besitzt die Reaktorkammer 13 einen Querschnitt 15. Im Bereich der Querschnittserweiterung 5 ist die Neigung der Kammerwand gegenüber der Vertikalen größer als 8°, in diesem Fall etwa 20°, wobei die eingezeichneten 8° der übliche Halbwinkel eines sich fächerförmig verteilenden Strahls des Fluidisierungsmediums ist.

Durch das Fluidisierungsmedium 11 werden Partikel 4 - des Bettmaterials und/oder des Festbrennstoffes - hochgeschleudert bis in den Bereich der oberen Wirbelschicht 2. Auf diese Art und Weise wird Wärme von der unteren Wirbelschicht 1 in die obere Wirbelschicht 3 transportiert.

Aufgrund der starken Neigung der Wand der Reaktorkammer 13 im Bereich der Querschnittserweiterung 5 strömt im Randbereich der Reaktorkammer auch wieder Bettmaterial zurück in die untere Wirbelschicht 1. Bei den Partikel des Festbrennstoffes hängt es jedoch davon ab, wie das Gewicht der Partikel ist, denn unterhalb einer bestimmten Gewichtsgrenze werden die Partikel nicht in die untere Wirbelschicht 1 zurückfallen, sondern in der oberen Wirbelschicht 2 verbleiben: Wegen des größeren Querschnittes 15 gegenüber dem unteren Querschnitt 16 ist in der oberen Wirbelschicht Strömungsgeschwindigkeit des Fluidisierungsmediums 11 geringer, jedoch unterhalb eines bestimmten Grenzwertes des Gewichts und/oder der Größe der Festbrennstoffpartikel ausreichend, um diese in der oberen Fluidisierungsschicht 2 zu halten.

Um einen Austrag besonders der leichtesten Festbrennstoffpartikel aus der oberen Wirbelschicht 2 zu vermeiden, ist oberhalb der oberen Wirbelschicht 2 eine weitere Querschnittserweiterung 9 der Reaktorkammer 13 vorhanden und darüber ein Freiraum 8, in dem dann die Strömungsgeschwindigkeit noch weiter verringert ist, so dass ein Rückfall auch der leichtesten Fest- brennstoffpartikel vom Freiraum 8 in die zweite, obere Wirbelschicht 2 zuverlässig funktioniert. Dennoch werden die Festbrennstoffpartikel den Wirbelschichtreaktor 12 prinzipiell in der primären Strömungsrichtung 10, also von unten nach oben, durchlaufen, indem sie die Reaktorkammer 13 zum Schluss nach oben, meist in Gasform umgewandelt, verlassen.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 erste, untere Wirbelschicht

2 zweite, obere Wirbelschicht

3 Rückströmung

4 Partikel

5 Querschnittserweiterung

6 Anfahrbrenner

7 Isolierung

8 Freiraum

9 Querschnittserweiterung

10 primäre Strömungsrichtung

11 Fluidisierungs-Medium

12 Wirbelschicht-Reaktor

13 Reaktorkammer

14 Einlassöffnung

15 Querschnitt

16 Querschnitt