Obwohl zirkulierende Wirbelschichten seit 50 Jahren großtechnisch zum Einsatz kommen, steht die wissenschaftliche Durchdringung dieses Verfahrensprinzips erst am Anfang. Bisherige Anwendungen der zirkulierenden Wirbelschicht waren im wesentlichen auf Verfahren mit einem festen Betriebspunkt beschränkt. Erst die Verwendung als Feuerungssystem mit der Forderung nach Teillastfahrweise offenbarte das mangelnde Wissen über die Strömungsvorgänge in zirkulierenden Wirbelschichten. Das vorliegende Buch soll dazu beitragen, diese Wissenslücke zu schließen. Die strömungsmechanischen Grundlagen der zirkulierenden Wirbelschicht wurden vom Autor erarbeitet, und er stellt sie hier erstmals dar. Dabei wird insbesondere gezeigt, welche Auswirkungen die Bauart der zirkulierenden Wirbelschicht auf deren Betriebsweise hat. Hierzu werden dimensionslose Zustandsdiagramme mitgeteilt. Im zweiten Teil des Buches wird ein einfaches Modell der zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung erstellt, mit dessen Hilfe wärmetechnische Zustandsdiagramme berechnet werden können. In Verbindung mit den aus den strömungsmechanischen Grundlagen erhaltenen Zustandsdiagrammen können zirkulierende Wirbelschichtfeuerungen ausgelegt und deren Betriebsverhalten analysiert werden.
Inhalt
1 Einführung.- 1.1 Vertikale Gas-Feststoff-Strömungen in der Verfahrenstechnik.- 1.2 Prinzip der zirkulierenden Wirbelschicht.- 1.3 Problematik bei der Auslegung zirkulierender Wirbelschichten.- I Strömungsmechanische Grundlagen.- 2 Vertikal-aufwärts gerichtete Gas-Feststoff-Strömungen.- 2.1 Strömungszustände vertikal-aufwärts gerichteter Gas-Feststoff-Strömungen.- 2.2 Einordnung der Strömungszustände im Diagramm nach Reh.- 2.3 Stand des Wissens hinsichtlich der strömungsmechanischen Auslegung zirkulierender Wirbelschichten.- 3 Strömungsmechanische Modellierung der entmischten, vertikalen Gas-Feststoff-Strömung.- 3.1 Der Strömungszustand homogener und heterogener Wirbelschichten.- 3.2 Beschreibung des strömungsmechanischen Modells der entmischten, vertikalen Gas-FeststoffStrömung.- 3.3 Formulierung der Strähnenantriebskraft.- 3.4 Aufstellen der Kräfte- und Massenbilanzen.- 4 Zustands- und Druckverlustdiagramm der entmischten, vertikal-aufwärts gerichteten Gas-Feststoff-Strömung.- 4.1 Berechnung des Druckverlustdiagramms.- 4.2 Zustandsdiagramm der entmischten, vertikal-aufwärts gerichteten Gas-Feststoff-Strömung.- 5 Strömungsmechanisches Verhalten der entmischten, vertikal-aufwärts gerichteten Gas-Feststoff-Strömung in der zirkulierenden Wirbelschicht.- 5.1 Zustands- und Druckverlustdiagramm der entmischten, vertikal-aufwärts gerichteten Gas-FeststoffStrömungen in der zirkulierenden Wirbelschicht.- 5.2 Arbeitsbereiche verschiedener Bauarten von zirkulierenden Wirbelschichten.- 5.2.1 Zirkulierende Wirbelschicht mit Dosiereinrichtung und Druckschleuse.- 5.2.2 Zirkulierende Wirbelschicht mit Siphon.- 5.2.3 Zirkulierende Wirbelschicht mit Dosiereinrichtung und mit im Druckaufbau begrenzter Druckschleuse.- 5.3 Druckgradienten in den Beharrungsstrecken der zirkulierenden Wirbelschicht.- 5.4 Austragskurven.- 5.4.1 Austragskurven für zirkulierende Wirbelschichten mit zwei Beharrungsstrecken.- 5.4.2 Austragskurven für zirkulierende Wirbelschichten mit Siphon.- 5.4.3 Austragskurven für zirkulierende Wirbelschichten mit Dosiereinrichtung und mit im Druckaufbau begrenzter Druckschleuse.- 5.4.4 Austragskurve für zirkulierende Wirbelschichten mit Dosiereinrichtung und Druckschleuse.- 5.5 Relativgeschwindigkeiten in der zirkulierenden Wirbelschicht.- 5.6 Zustands- und Druckverlustdiagramm der zirkulierenden Wirbelschicht beim Vorliegen einer breiten Korngrößenverteilung des Wirbelbettmaterials.- 5.6.1 Modellvorstellung für die Überführung des Verhaltens einer breiten Korngrößenverteilung des Wirbelbettmaterials auf das Verhalten von Einkornfraktionen.- 5.6.2 Praxisorientierte Kennzahlkombination für die Darstellung des Zustands- und Druckverlustdiagramms.- 5.6.3 Feststoffaustrag aus zirkulierenden Wirbelschichten beim Vorliegen einer breiten Korngrößenverteilung des Bettmaterials.- 5.6.4 Druckgradient in der oberen Beharrungsstrecke einer zirkulierenden Wirbelschicht beim Vorliegen einer breiten Korngrößenverteilung des Bettmaterials.- 6 Experimentelle Untersuchungen zum strömungsmechanischen Verhalten von zirkulierenden Wirbelschichten.- 6.1 Versuchsaufbau und verwendete Versuchsgüter.- 6.1.1 Versuchsaufbau.- 6.1.2 Versuchsgüter.- 6.2 Axiale Druckprofile.- 6.3 Einfluß des Auslaufes der zirkulierenden Wirbelschicht auf die Ausbildung von Wandsträhnen.- 6.4 Einfluß der Querschnittsform und der Querschnittsfläche der zirkulierenden Wirbelschicht auf das axiale Druckprofil.- 6.5 Feststoffaustrag.- 7 Experimentelle Überprüfung der berechneten Zustands- und Druckverlustdiagramme zirkulierender Wirbelschichten.- 7.1 Experimenteller Nachweis der Phasenentmischung.- 7.2 Vergleich der gemessenen mit den berechneten Druckgradienten in den Beharrungsstrecken.- 7.3 Vergleich der gemessenen Feststoffausträge mit den berechneten Austragskurven.- 7.3.1 Austragskurve beim Vorliegen von zwei Beharrungstrecken.- 7.3.2 Zirkulierende Wirbelschicht mit Dosiereinrichtung und Druckschleuse.- 7.3.2.1 Fahrweise mit konstanter Leerrohrgeschwindigkeit.- 7.3.2.2 Fahrweise mit konstantem Druckgradienten.- 7.3.3 Zirkulierende Wirbelschicht mit Siphon.- 7.4 Bestimmung des Strähnenantriebskoeffizienten.- 7.5 Einfluß der Korngrößenverteilung auf den Feststoffaustrag.- 8 Zustands- und Druckverlustdiagramm der entmischten, vertikalen Abwärtsförderung.- 8.1 Berechnung des Druckverlustdiagrammes.- 8.2 Zustandsdiagramm der entmischten, vertikalen Abwärtsförderung.- 8.3 Druckverlust und Strömungszustand in der Fallleitung der zirkulierenden Wirbelschicht.- 8.3.1 Druckverlust in der Falleitung.- 8.3.2 Relativgeschwindigkeit in der Falleitung.- 9 Experimentelle Überprüfung des für die Falleitung zirkulierender Wirbelschichten berechneten Druckverlustdiagrammes.- 9.1 Versuchsaufbau und verwendete Versuchsgüter.- 9.2 Druckprofile in der Rückführleitung der zirkulierenden Wirbelschicht.- 9.3 Vergleich der gemessenen mit den berechneten Druckgradienten in der Falleitung der zirkulierenden Wirbelschicht ohne Gasdurchsatz.- 10 Zustands- und Druckverlustdiagramm der entmischten, vertikalen Gas-Feststoff-Strömung.- II Anwendung in der Feuerungstechnik.- 11 Feuerungsanlagen nach dem Prinzip der zirkulierenden Wirbelschicht.- 11.1 Verbreitung zirkulierender Wirbelschichtfeuerungen.- 11.2 Prinzip eines Dampferzeugers mit zirkulierender Wirbel schichtfeuerung.- 11.3 Einordnung in die Feuerungssysteme für Festbrennstoffe.- 11.4 Schadstoffemissionen zirkulierender Wirbelschichtfeuerungen.- 11.5 Zirkulierende Wirbelschichtfeuerungssysteme.- 11.5.1 Bauart LURGI.- 11.5.2 Bauart AHLSTRÖM.- 11.5.3 Bauart BABCOCK.- 11.5.4 Bauart STUDSVIK.- 11.5.5 Zirkulierende Wirbelschichtfeuerungen mit speziellen Feststoffabscheidevorrichtungen.- 11.6 Problematik bei der Auslegung zirkulierender Wirbelschichtfeuerungen.- 12 Wärmetechnisches Modell der zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung.- 12.1 Beschreibung des wärmetechnischen Modells der zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung.- 12.2 Massenbilanzen.- 12.3 Wärmebilanzen.- 12.4 Wärmeübertragung in der Brennkammer und im Fließbettkühler.- 13 Wärmetechnisches Verhalten der zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung.- 13.1 Randbedingungen.- 13.2 Einfluß des Heizwertes auf die Wärmeauskopplung.- 13.3 Einfluß der Temperaturdifferenz in der Brennkammer auf die notwendige Feststoffzirkulation.- 14 Wärmetechnisches Zustandsdiagramm von zirkulierenden Wirbelschichtfeuerungen.- 14.1 Einfluß der Apparatekennziffer der Wirbelbrennkammer.- 14.2 Einfluß des Luftüberschusses.- 14.3 Einfluß des Primärluftverhältnisses.- 14.4 Einfluß der Rauchgasrezirkulation.- 14.5 Einfluß der Temperatur im unteren Teil der Brennkammer.- 14.6 Einfluß des Fließbettkühlers.- 15 Strömungsmechanisches Zustandsdiagramm der zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung.- 15.1 Strömungszustand in zirk…