Diese Erfindung betrifft eine neue Geometrie der Begrenzungs-Wasserwände in einem vertikalen Wirbelschichtreaktor und im besonderen die Geometrie der Wasserwände in einem Zwischenbereich zwischen dem oberen unbeschichteten Wasserwandabschnitt und dem unteren feuerfest ausgekleideten Wasserwandabschnitt.

Wirbelschichtreaktoren werden bei vielen verschiedenen Verbrennungs-, Wärmeübertragungs-, chemischen oder metallurgischen Prozessen eingesetzt. Je nach dem Prozess werden im System verschiedene Bettmaterialien fluidisiert oder zirkuliert. Bei Verbrennungsprozessen können partikelförmiger Brennstoff wie Kohle, Koks, Lignit, Holz, Holzabfall, Kohleabfall oder Torf wie auch anderes partikelförmiges Material, wie Sand, Asche, Schwefelabsorbens, Katalysatoren oder Metalloxide Bestandteile der Wirbelschicht sein.

Ein Wärme erzeugender Wirbelschichtreaktor besteht aus einer senkrechten Reaktionskammer mit hauptsächlich vertikalen umfassungswänden. Die Wände sind als Wasserwände oder Rohrwände ausgeführt, wobei vertikale Rohre mittels Plattenmaterial oder Flossen miteinander verbunden sind. Die Wände im unteren Teil des Reaktors sind gewöhnlich feuerfest ausgekleidet, um Hitze und Erosion standzuhalten. Die starke Turbulenz der abrasiven partikeln und die relativ hohe Konzentration von Feststoff führen zu äußerst erosiven Verhältnissen im Bodenabschnitt des Reaktors.

An bestimmten Stellen des Reaktors finden sowohl Abwärtsals auch Aufwärtsströmungen des Partikelmaterials statt. Der absolute Massenstrom variiert in radialer sowie axialer Richtung in der Reaktionskammer. In der Nähe der Umfassungswände ist der Massenstrom am größten. Wenn die Partikeldichte abwärts in der Reaktionskammer zunimmt, wächst auch der die Außenwände entlang abwärts fallende Partikelfilm. Der abwärts fallende Film kann 10 bis 50 mm dick oder noch dicker sein. Jede Veränderung in der Richtung des abwärts fliegenden Films verursacht Erosion.

Die Oberkante der feuerfesten Auskleidung der Wasserwandkonstruktion bildet eine Schulter in der Reaktionskammer und verursacht Wirbelbildung im abwärtsfließenden Film des Bettmaterials. Die Richtung des jeweils zwei benachbarte Rohre verbindende Flossen entlang vertikal abwärtsfließenden Films wird teilweise umgelenkt und zum Strömen an der Grenzlinie der feuerfesten Auskleidung entlang geleitet. Die Wirbelbildung und horizontale Strömung von Partikeln die Grenzlinie entlang ruft starke Erosion der Wasserwandrohre insbesondere in der Nähe der feuerfesten Auskleidung hervor. Die Erosion ist besonders problematisch in feste Brennstoffe verfeuernden Kesseln mit hocherosiven Verhältnissen.

Die Rohre der Wasserwände sollen zeitweise überprüft werden und bei Bedarf mit neuem Opfermaterial neubeschichtet oder durch neue Rohre ersetzt werden. Das Herausschneiden von beschädigten Rohren und Montieren von neuen Rohren oder Erneuern des Schutzüberzugs setzen eine lange Ausfallzeit voraus. Beide sind mühsame und zeitraubende Prozesse.

Die Erosion der Rohre in Wirbelschichtreaktoren ist ein wohlbekanntes Problem, und es sind verschiedene Lösungen zur Herabsetzung der Erosion vorgeschlagen worden, welche Lösungen aber nicht vollkommen erfolgreich gewesen sind. Eine die Rohre schützende feuerfeste Auskleidung hoch in den Reaktor hinein würde die Erosion vermindern, aber auch den Wärmeübergang auf die Rohre vermindern.

Man hat versucht, eine Schicht, einen Opferbelag, durch Schweissen auf die Oberfläche der Rohre an besonders empfindlichen Stellen aufzutragen. Die Schweißverbindungen würden jedoch nicht sehr lange in einer hocherosiven Umgebung halten. Man hat auch vorgeschlagen, die Rohre mit verschleißestem Material, wie etwa gesintertem Metall oder keramischen Materialien zu überziehen. Dies ist eine teuere Lösung und vermindert den wärmeübergang in die Rohre.

Ferner hat man vorgeschlagen, die Strömungsgeschwindigkeit an den Rohrwänden herabzusetzen, indem den Rohren Noppen oder andere die Strömungsgeschwindigkeit der Partikeln auf den Rohren verlangsamende Hindernisse aufgeschweißt werden. Die hohe Geschwindigkeit im Reaktor ist jedoch ein Vorteil für die Wärmeübertragung an den Rohrwänden und sollte nicht unbedingt heragesetzt werden. Es ist im schwedischen Patent SE 454,725 auch vorgeschlagen worden, den Rohren an Stellen mit besonders starkem Verschleiß gekrümmte Segmente aufzuschweißen.

Im schwedischen Patent SE 452,360 hat man auch vorgeschlagen, die ganzen Reaktorwände nach oben hin einwärts geneigt anzuordnen, um die Erosion an den Wänden herabzusetzen. Dies ist eine sehr eigenartige Konstruktion und nicht sehr leicht zu verwirklichen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung für die Rohrwände in einem Wirbelschichtreaktor vorzusehen, die Erosion an Stellen in der Nähe des feuerfest ausgekleideten Teils der Wände vermindert.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Ausfallzeit von Wirbelschichtkesseln infolge von Rohraustausch zu verkürzen.

Um die obigen Aufgaben zu erfüllen, ist die Rohrwand im Zwischenbereich zwischen der nicht feuerfest ausgekleideten Rohrwand und der feuerfest ausgekleideten Rohrwand nach unten hin und auswärts in einem Winkel zur vertikalen Ebene gebogen.

Die Rohrwand ist entweder zurück zur Vertikalen in einem Abstand abwärts von der ersten Biegestelle gebogen oder aber die Rohrwand kann in einem Winkel einwärts gebogen werden, um eine geneigte Innenwand der Brennkammer zu bilden. Besonders könnten die Vorder- und Rückwände als geneigte Wände ausgebildet sein, die Seitenwände könnten vertikal sein.

Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigt dabei

Fig. 1 einen Schnitt durch den unteren Teil eines Wirbelschichtreaktors,

Fig. 2 eine vergößerte schematische Ansicht eines Teils des Zwischenabschnitts zwischen der oberen unbedeckten Rohrwand und der unteren feuerfest ausgekleideten Rohrwand, Fig. 3 einen Schnitt aus Fig. 2,

Fig. 4 bis 6 Schnitte entsprechend Fig. 3 durch andere Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 1 zeigt den unteren Teil eines Wirbelschichtreaktors mit einer Brennkammer 1 und Umfassungswänden 2, wie etwa Membranwänden. Das Partikelmaterial in der Brennkammer wird mittels aus einem Windkasten 3 unter der Brennkammer eingeführter Luft fluidisiert. Die Luft wird aus dem Windkasten in die Brennkammer durch Düsen 4 in einer Rostplatte 5 verteilt. Wenn anderes Gas als Luft zur Fluidisierung des Partikelmaterials in der Brennkammer verwendet wird, soll Luft oder oxidierendes Gas durch andere nicht dargestellte Einlaßöffnungen eingeleitet werden. Brennstoff, Zusätze und anderes Partikelmaterial oder Sekundärgas werden bei Bedarf durch in der Fig. nicht gezeigte Einlaßöffnungen eingegeben.

Die Wasserwände im oberen Teil 6 der Brennkammer sind unbeschichtet. Im unteren Teil 7 der Brennkammer sind die Wasserwände mit feuerfestem Material 8 ausgekleidet. In einer Zwischenzone 9 zwischen der oberen unbeschichteten Wasserwand 10 und der unteren feuerfest ausgekleideten Wasserwand 11 sind die Wasserwände auswärts gebogen. Das Verhältnis der Höhe des feuerfest ausgemauerten Wandabschnittes zur Höhe der gesamten Vertikalwand in einer Brennkammer beträgt normalerweise 1:3 bis 1:10.

Die Zwischenzone ist detaillierter aus Fig. 2 und 3 ersichtlich. Die Wasserwand 10 ist in einem Punkt 12 nach unten hin und auswärts in einem Winkel α beim Eintritt in die Zwischenzone zwischen der unbeschichteten und der feuerfest ausgemauerten Wasserwand gebogen. Der Winkel α zwischen der gebogenen Wasserwand und der Vertikalebene kann 5 bis 30º betragen. In den meisten Fällen ist ein Winkel von ungefähr 10 bis 20º ausreichend.

Die feuerfeste Auskleidung 8 der wasserwand beginnt an der Biegestelle. Die Innenoberfläche 13 der Auskleidung bildet eine gerade nach unten gerichtete Fortsetzung für die Innenoberfläche 14 der die benachbarten Rohre 10 verbindenden Platten oder Flossen 15. Die Konstruktion vermeidet die normalerweise durch die feuerfeste Auskleidung in einer geraden vertikalen wasserwand gebildete Schulter und lädt den abwärtsfallenden Film die Rohre ohne Wirbelbildung im Partikelstroms passieren. Ein die Flossen 15 entlang abwärtsfliegender Partikelstrom kann dann die feuerfeste Auskleidung entlang weiter abwärtsfließen und wird nicht veranlaßt, seine Richtung zu ändern. Auch die Rohre 10 entlang abwärtsfliegenden Partikeln können ihre Strömung ungestört fortsetzen. Die Biegung der Wasserwand schützt die Rohrwände sehr wirksam.

Die oberste relativ dünne Schicht der feuerfesten Auskleidung kann durch eine Abdeckung oder eine Schutzplatte 17 geschützt werden, die als vertikale Verlängerung mit der Platte 15 verschweißt ist, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, um die feuerfeste Auskleidung an ihrem obersten Teil zu schützen.

Bei Bedarf kann an der Außenseite der Wasserwand ein Steg zur Versteifung der Wasserwand an der Biegestelle aufgeschweißt werden.

Die Wasserwand in der Zwischenzone 9 ist an einer weiter nach unten gelegenen stelle 16 zurück zur Vertikalen gebogen. Die Wasserwand kann sogar weiter nach innen gebogen werden, wenn die Querschnittsfäche des unteren Teils der Brennkammer nach unten verringert werden soll, wie aus Fig. 1 und 5 ersichtlich ist. Wenn die Wasserwand weiter nach innen gebogen ist, bildet die Innenoberfläche der feuerfesten Auskleidung eine nach unten und innen geneigte Oberfläche der feuerfesten Auskleidung, die an einer vertikalebene auswärts von der Vertikalebene der Flossen beginnt.

Zweitens können die Wasserwände um einen Winkel von rund 5 bis 30º von der Vertikalen einwärts gebogen sein. Der Abstand zwischen der ersten und zweiten Biegestelle kann ungefähr 200 bis 400 mm betragen.

Der Zwischenabschnitt 9 der Wasserwände kann leicht als Modulsystem mit unterschiedlichen Biegungen ausgeführt und leicht mit den geraden Wandabschnitten verbunden werden.

Die feuerfeste Auskleidung kann einer anderen Ausführungsform der Erfindung zufolge, wie in Fig. 5 dargestellt ist, mit einer Kante oder einem Schulterabschnitt ausgeführt werden, wobei die Auskleidung unterhalb der ersten Biegung der wasserwand beginnt. Die Schulter kann einen spitzen Winkel gegenüber der Vertikalen bilden. Der Winkel ist vorzugsweise so gewählt, dar sich keine Partikeln auf der Schulter anhäufen, es kann z.B. ein Winkel von rund 45º gewählt werden. Bei dieser Ausführungsform kann die obere Fläche der feuerfesten Auskleidung durch eine Stahlplatte oder dgl. geschützt werden, um die feuerfeste Auskleidung vor Beschädigungen zu schützen.

Die feuerfeste Auskleidung kann nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem geneigten Schulterabschnitt ausgeführt werden, wie in Fig. 6 gezeigt ist, wo die feuerfeste Auskleidung ebenfalls unterhalb der ersten Biegung der Wasserwand beginnt. Der die wasserwand entlang abwärtsfallende Partikelfilm gleitet nach dem Aufschlag auf die feuerfeste Auskleidung nach unten.

Bei den in Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen setzen die abwärtsfließenden partikeln die Strömung ohne starke Turbulenz fort, die Erosion im Grenzbereich der feuerfesten Auskleidung verursachen würde. Die Dicke der feuerfesten Auskleidung kann bei diesen Ausführungsformen unabhängig von den Biegungen der Wände gewählt werden. Die feuerfeste Schicht beginnt vorzugsweise unterhalb der Ebene, in der die Innenoberfläche der Rohre die Vertikalebene der Platten 15 nach der Biegung erreicht hat. Auf dieser Höhe verursachen die von den Platten 15 nach unten strömenden Partikeln keine erodierende Turbulenz im Grenzbereich zwischen den Rohren und der feuerfesten Auskleidung.

Die Rohroberfläche kann an der Biegestelle zusätzlich durch Schutzmaterial geschützt werden, das in diesem Fall nicht sehr leicht abgenutzt wird, weil der turbulente Partikelstrom dicht an der Rohroberf läche zurückgegangen ist.

Verzweigungswasserrohre 18, wie sie in Fig. 6 dargestellt sind, können im Zwischenabschnitt in den Ecken der Reaktionskammer installiert werden, um die Wasserwand an der Biegestelle in den Ecken abzudichten. In den Ecken nimmt der Abstand zwischen den Rohren zu, wenn die Rohre gebogen werden. Zusätzliche Rohre, z.B. Zweigrohre können zur Abdichtung der Zwischenräume zwischen den Rohren benutzt werden.