DE102008009132A1

DE102008009132A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbrennen fester Brennstoffe

Info

Publication number: DE102008009132A1
Application number: DE102008009132A
Authority: DE
Inventors: Bernd Prof. Meyer; Michael Trompelt; Mathias Rieger; Hardy Rauchfuss
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2008-02-07
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2028-02-08
Also published as: WO2008095984A3; DE102008009132B4; WO2008095984A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennen fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsmitteln, insbesondere für ein Oxyfuel-Verfahren. Das Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsmitteln gelöst, bei dem mit Staub, in Form von Feinstaub und Grobstaub, beladene Gase den Verbrennungsraum oberseitig und überwiegend grobkörnige Produkte den Verbrennungsraum als Bodenprodukt unterseitig verlassen, wobei dem Verbrennungsraum die für die vollständige Verbrennung notwendigen Verbrennungsmittel zugeführt werden, wird so geführt, dass der Verbrennungsraum getrennt wird in mindestens eine erste Verbrennungszone, wobei diese als Wanderbett ausgebildet ist, und mindestens eine darüber befindliche zweite Verbrennungszone, wobei diese als stark expandierte oder zirkulierende Wirbelschicht ausgebildet ist, dass die Trennung des Verbrennungsraumes durch mindestens eine seitliche, in die Mitte des Verbrennungsraumes gerichtete Eindüsung der für die weitgehende Verbrennung der festen Brennstoffe benötigten zweiten Verbrennungsmittel erfolgt, wobei die zweiten Verbrennungsmittel einen Sauerstoffgehalt > 50 Vol.% aufweisen und mit einer Geschwindigkeit von 10 m/s bis 100 m/s eingedüst werden, dass am unteren Ende der ersten Verbrennungszone die für die praktisch vollständige Verbrennung benötigten ersten Verbrennungsmittel im Gegenstrom eingeblasen werden, wobei der Sauerstoffgehalt der ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennen fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsmitteln, insbesondere für ein Oxyfuel-Verfahren.
Im Oxyfuel-Verfahren wird bei der Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes ein nahezu reiner CO₂-Strom erzeugt. Dabei besteht das Ziel, die chemisch gebundene Wärme des Brennstoffes (Heizwert) vollständig in fühlbare Wärme umzuwandeln, die im Dampf Kraft-Prozess zur Erzeugung von Elektroenergie genutzt wird. Die Verbrennung des Brennstoffes erfolgt in einer Staubfeuerung unter Zufuhr von stickstoffreduzierter Verbrennungsluft (hohe Konzentration an Sauerstoff).
Bei Einsatz des Verfahrens wird eine nachfolgende CO₂-Abscheidung angestrebt, um dieses weiter zu verwenden, zu speichern oder zu deponieren. Durch die Elimination von N₂ aus der Verbrennungsluft herrscht nach der Verbrennung ein hoher CO₂-Partialdruck im Rauchgas. Dieser ist für die Abtrennung der meisten Störstoffe aus dem Rauchgas von Vorteil. Das mit der Verbrennung anfallende Wasser kam leicht auskondensiert werden.
Das Oxyfuel-Verfahren wird bei Temperaturen unterhalb der Ascheschmelztemperatur betrieben. Um dies zu gewährleisten, müssen sehr große Mengen an Rauchgas staubfrei im Prozess rezirkulieren. Weiterhin besteht der Nachteil, dass die Asche zum einen noch unverbrannten Kohlenstoff enthält und zum anderen nicht als verwertbares Material zur Verfügung steht. Hierzu wird in Patent DE 10 2004 059 360 ein „Verfahren zur Verbrennung von fossilen Brennstoff in nach dem Oxyfuel-Prozess arbeitenden Kraftwerken" vorgeschlagen, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass als Feuerung eine an sich bekannte Schmelzkammerfeuerung verwendet wird, wobei die Feuerung derart ausgebildet ist und bei solchen Temperaturen betrieben wird, dass wenigstens ein Teil der Asche schmelzflüssig anfällt und in diesen Zustand aus der Feuerung abgeführt wird.
Die genannten bekannten Lösungen sehen die Verbrennung in Staubfeuerungen mit trockener und nasser Entaschung vor.
Beide Lösungen haben den Nachteil einer aufwendigen CO₂-Rezirkulation, die bei der Schmelzkammerfeuerung zwar gemindert, aber immer noch erheblich ist. Daher bleiben die Nachteile des hohen anlagentechnischen Aufwandes für die Rezirkulationswämetauscher, der hohen Betriebskosten und Eigenverbrauchs des Rezirkulationsverdichters, der Verkomplizierung des Prozesses und dadurch schlechtere Betriebsflexibilität (Lastwechselverhalten), der erhöhten Korrosionen und Ansatzbildungsneigung durch Karbonatbildung, der Wirkungsgradverluste (Exergieverluste), insbesondere durch das Aufwärmen und Abkühlen des großen CO₂-Massestromes erhalten.
Aus der Vergasungstechnik sind weiterhin Verfahren bekannt, bei denen kohlenstoffhaltige Brennstoffe mit Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmitteln partiell oxidiert werden, wobei Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) als Zielprodukte gebildet werden. Nur in untergeordnetem Maße fällt CO₂ an. Die Freisetzung an fühlbarer Wärme beträgt typischerweise nur etwa 20 bis 30% der Wärme, die bei Oxyfuel-Verfahren entbunden wird.
Die Reaktionsbedingungen und die ablaufenden chemischen Reaktionen in der Vergasungstechnik unterscheiden sich dadurch grundlegend von denen der Verbrennungstechnik. In Vergasungsprozessen dominieren Reaktionen der Gasphase mit CO und H₂, in Verbrennungsprozessen dagegen die Reaktionen mit freiem Sauerstoff.
Beispielhaft für Vergasungsprozesse sei das praktisch ausgeführte und aus der Fachliteratur bekannte HTW-Vergasungsverfahren genannt. Hierbei handelt es sich um ein Wirbelschicht-Vergasungsverfahren. Beim HTW-Vergasungsverfahren erfolgt ein Staubumlauf über einen Zyklon, wobei Feinstaub aus dem System oberhalb ausgetragen und nicht rezirkuliert wird. In einem zum Patent angemeldeten Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigen Feststoffen in der Wirbelschicht sowie einen dafür geeigneten Vergaser ( EP 1 201 731 A1 ) werden alle, die Wirbelschicht oberseitig verlassenden Stäube innerhalb des Vergasers mit einem geeigneten Filter abgeschieden. Die Abscheidung erfolgt in einer in Strömungsrichtung des Gases hinter der Wirbelschichtzone angeordneten Kühlzone, in welcher weiterhin die Abkühlung des staubbeladenen Rohgases und die Wärmeabführung erfolgen. Anschließend wird der Staub in die Wirbelschichtzone des Vergasers zurückgeführt.
Die von der Vergasung bekannte Lehre der partiellen Oxidation gibt dem Fachmann grundsätzlich keine Hinweise, wie die vollständige Oxidation von festen Brennstoffen unter der Bedingung der weitgehenden bis vollständigen Umsetzung des Kohlenstoffes der festen Brennstoffe zu CO₂ zu gestalten wäre.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verringerung bzw. Vermeidung der Rauchgasrezirkulation bei Verfahren zur Verbrennung fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsmitteln und dadurch anlagen- und betriebstechnische Vereinfachungen sowie die Erhöhung der Wirkungsgrade und Verringerung der Eigenverbräuche zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsmitteln gelöst, bei dem mit Staub, in Form von Feinstaub und Grobstaub, beladene Gase den Verbrennungsraum oberseitig und überwiegend grobkörnige Produkte den Verbrennungsraum als Bodenprodukt unterseitig verlassen, wobei dem Verbrennungsraum die für die vollständige Verbrennung notwendigen Verbrennungsmittel zugeführt werden, und das dadurch charakterisiert ist, dass der Verbrennungsraum getrennt wird in mindestens eine erste Verbrennungszone, wobei diese als Wanderbett ausgebildet ist, und mindestens eine darüber befindliche zweite Verbrennungszone, wobei diese als stark expandierte oder zirkulierende Wirbelschicht ausgebildet ist, dass die Trennung des Verbrennungsraumes durch mindestens eine seitliche, in die Mitte des Verbrennungsraumes gerichtete Eindüsung der für die weitgehende Verbrennung der festen Brennstoffe benötigten zweiten Verbrennungsmittel erfolgt, wobei die zweiten Verbrennungsmittel einen Sauerstoffgehalt > 50 Vol.-% aufweisen und mit einer Geschwindigkeit von > 10 m/s bis 100 m/s eingedüst werden, dass am unteren Ende der ersten Verbrennungszone die für die praktisch vollständige Verbrennung benötigten ersten Verbrennungsmittel im Gegenstrom eingeblasen werden, wobei der Sauerstoffgehalt der Gasmischung auf < 50%, vorzugsweise < 21% bis < 10% begrenzt wird, und dass die festen Brennstoffe soweit über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone in den Verbrennungsraum eingetragen werden, dass sich in Höhe des Eintrags und dessen Umgebung keine hot spot – Zonen bilden, in denen Asche überwiegend oder vollständig schmilzt. Die Umgebung erstreckt sich auf einen Radius um den Eintrag von max. ca. 1 m. Innerhalb diesen Radius treten erfahrungsgemäß bevorzugt Verschlackungen auf, da es hier auf Grund der hohen Kohlenstoffgehalte besonders schnell zu unzulässigen Temperaturüberschreitungen auf Werte oberhalb der Ascheerweichungstemperaturen kommen kann.
Die Verbrennungsmittel, d. h. die ersten und/oder die zweiten Verbrennungsmittel können neben Sauerstoff Kohlendioxid, Wasserdampf, NH₃ und/oder Purge-Gase enthalten. Diese Nebenbestandteile können bei den im erfindungsgemäßen Verfahren auftretenden Temperaturen und Sauerstoffkonzentrationen weitgehend schadstofffrei oxidiert werden (NH₃, Purge- Gase) bzw. zur Steuerung der Verbrennungsprozesse genutzt werden (Kohlendioxid, Wasserdampf).
Der Verbrennungsprozess findet vorteilhaft in einem oben zylindrischen und unten zylindrischen oder sich konisch nach unten verengendem jedoch beidseitig offenem Verbrennungsraum statt. Doch kann der Verbrennungsraum auch einen quadratischen oder rechteckigen Strömungsquerschnitt aufweisen. Der Verbrennungsraum ist in mindestens eine erste Verbrennungszone, wobei diese als Wanderbett ausgebildet ist, und in mindestens eine darüber befindliche zweite Verbrennungszone, wobei diese als stark expandierte oder zirkulierende Wirbelschicht ausgebildet ist, unterteilt.
Die Trennung des Verbrennungsraumes erfolgt durch mindestens eine seitliche, in die Mitte des Verbrennungsraumes gerichtete Eindüsung des für die weitgehende Verbrennung des festen Brennstoffes benötigten überwiegend freien Sauerstoff enthaltenden zweiten Verbrennungsmittels. Der Eindüsungswinkel beträgt 20° bis 100°, vorzugsweise 45° bis 90°. Der Eindüsungswinkel α₁ ist dabei der Winkel zwischen der Eindüsungseinrichtung (im Allgemeinen deren geometrische Achse) und der vom Scheitelpunkt des Winkels aus nach unten gesehenen, inneren Kontur des Verbrennungsraumes. Bei kleineren Apparaten erfolgt die Eindüsung des zweiten Verbrennungsmittels mit einem, gegenüber größeren Apparaten, stumpferen Eindüsungswinkel, so dass die gegenüberliegende innere Oberfläche der Verbrennungsraumummantelung nicht mit freiem Sauerstoff angestrahlt wird.
Die Brennstoffe werden über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone in den Verbrennungsraum, speziell in die zweite Verbrennungszone, eingetragen. Der Eintrag erfolgt soweit oberhalb, dass eine intensive Verwirbelung und Verbrennung der Brennstoffe mit den aufsteigenden Gasen der ersten und zweiten Verbrennungsmittel erfolgt. Vorzugsweise werden die Brennstoffe in einem Abstand von 1 in bis 10 m, besonders bevorzugt in einem Abstand von 2 m bis 5 m, über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone in den Verbrennungsraum eingetragen. Die Zufuhr der festen Brennstoffe erfolgt in einem Eintragswinkel von 90° bis 180°, vorzugsweise von 100° bis 160°. Der Eintragswinkel α₂ ist dabei der Winkel zwischen Brennstoffeintrag (im Allgemeinen dessen geometrische Achse) und der vom Scheitelpunkt des Winkels aus nach unten gesehenen, inneren Kontur des Verbrennungsraumes. Ein annähernd rechter Winkel, zur inneren Kontur des Verbrennungsraumes, begünstigt geringe Appa ratebauhöhen. Bei Eintrag von festen Brennstoffen mit schlechtem Fließverhalten ist ein stumpfer bis gestreckter Winkel vorteilhaft.
Die Zufuhr der festen Brennstoffe kann in dem vorgegebenen Abstand über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone in unterschiedlichen Höhen und verteilt über den Umfang der Verbrennungsraumummantelung erfolgen.
Die weitgehende Verbrennung der festen Brennstoffe erfolgt in der zweiten Verbrennungszone. Die starke Fluidisierung ist erforderlich, um den Kohlenstoff in der zweiten Verbrennungszone gleichmäßig zu verteilen. Die gleichmäßige Verteilung ist Vorraussetzung dafür, dass sich in der Wirbelschicht keine so genannten hot spot – Zonen bilden, in denen die Asche überwiegend oder vollständig schmilzt und es in der Folge zu betriebsstörenden Verschlackungen kommen kann.
Die Zufuhr der zweiten Verbrennungsmittel erfolgt mit hoher Eindüsungsgeschwindigkeit, da das Verbrennungsmittel Sauerstoff überwiegendes Fluidisierungsmittel ist und der Sauerstoff der zweiten Verbrennungsmittel auch das Zentrum des Verbrennungsraumes der zweiten Verbrennungszone erreichen soll. Die Eindüsungsgeschwindigkeit der zweiten Verbrennungsmittel erfolgt bei Kleinanlagen mit über 10 m/s und bei Großanlagen mit bis zu 100 m/s.
Die Umsetzung des kohlenstoffhaltigen festen Brennstoffes in der zweiten Verbrennungszone erfolgt bei Temperaturen zwischen 750°C und 950°C, wobei lokal in den Bereichen, in denen sauerstoffhaltiges zweites Verbrennungsmittel eingedüst wird, auch höhere Temperaturen auftreten können, so dass in Abhängigkeit vom Schmelzpunkt der Asche der festen Brennstoffe ein Granulieren zumindest eines Teils der Aschebestandteile erfolgen kann. Diese Voraussetzungen können z. B. beim Verbrennen von rheinischer Braunkohle vorhanden sein, deren Asche einen Schmelzpunkt von 1.250°C hat.
Am unteren Ende des Verbrennungsraumes erfolgen der Ascheaustrag und die Zufuhr der für die praktisch vollständige Verbrennung des Kohlenstoffs benötigten Menge an ersten Verbrennungsmitteln, wobei dem Sauerstoff weitere Gase (beispielsweise CO₂, H₂O, etc.) zugemischt werden und der Sauerstoffgehalt der Gasmischung auf < 50%, vorzugsweise < 21% bis < 10% begrenzt wird.
Die ersten Verbrennungsmittel werden zur möglichst vollständigen Verbrennung der restlichen kohlenstoffhaltigen Bestandteile und zur Oxidation der Asche in einer ersten Verbrennungszone, wobei diese als Wanderbett ausgebildet ist, eingesetzt.
Die ersten Verbrennungsmittel können in mehreren übereinander liegenden Bereichen und/oder am unteren Ende der ersten Verbrennungszone eingedüst werden. Dabei besteht die Möglichkeit, im Bedarfsfall in den einzelnen Ebenen erstes Verbrennungsmittel unterschiedlicher Zusammensetzung, beispielsweise bestehend aus Wasser, O₂/Dampf-, O₂/CO₂- und O₂/CO₂/Dampf-Gemischen einzudösen. Die Verwendung unterschiedlicher erster Verbrennungsmittel in unterschiedlichen Höhen in der ersten Verbrennungszone kann sich daraus ergeben, dass einerseits eine weitestgehende Umsetzung der Kohlenstoff enthaltenen Rückstände und gegebenenfalls auch eine Oxidation der Asche bzw. der Granulate erfolgen sollen, wobei andererseits jedoch die Temperatur unterhalb des Ascheschmelzpunktes gehalten werden und ein Endprodukt aus der ersten Verbrennungszone ausgetragen werden soll, welches soweit abgekühlt ist, dass es mit den üblichen Transportmitteln, Geräten usw. gehandhabt werden kann. Mithin werden Zusammensetzung und Menge der ersten Verbrennungsmittel so eingestellt, dass der Kohlenstoffgehalt des die ersten Verbrennungszonen am unteren Ende des Verbrennungsraumes verlassenden Bodenproduktes auf die für die Deponierung erforderlichen Werte reduziert ist. Ferner soll der endgültige Rückstand, der im Wesentlichen aus Asche und Aschegranulat besteht, gekühlt werden, bevor er das untere Ende der ersten Verbrennungszonen des Verbrennungsraumes verlässt.
Die Geschwindigkeit, mit welcher die kohlenstoffhaltigen Bestandteile, Aschen und Aschegranulate, z. B. mittels eines Schneckenförderers, aus dem unteren Ende der ersten Verbrennungszonen des Verbrennungsraumes ausgetragen werden, wird im wesentlichen bestimmt durch die Verweilzeit der Feststoffe und Stäube im Verbrennungsraum, die bei den jeweils gegebenen Verhältnissen, insbesondere Temperaturen, erforderlich ist, um den angestrebten Kohlenstoffumsatz zu erreichen.
Beim erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren zirkulieren Feststoff und Staub im Verbrennungsraum bzw. wird Grobstaub über den Abscheider in die zweite Verbrennungszone rezirkuliert. Die in den oberen Bereich der zweiten Verbrennungszone eingetragenen festen Brennstoffe bilden bei ihrer Verbrennung größere Anteile an Staub, der auf Grund der Feinheit im Abscheider nur unvollständig abgeschieden wird. Der nicht abgeschiedene Feinstaub, in der Regel deutlich < 1 % der gesamten mitgeführten Staubmenge, wird also nicht über den Abscheider zurückgeführt, während der Grobstaub über den Abscheider zurückgeführt wird. Es ist bekannt, dass Feinstaub auf Grund seiner überwiegend basischen Mineralstoffzusammensetzung (Calzium, Magnesium, Eisen, Alkalien) in Verbindung mit den gröberen, überwiegend sauren Aschebestandteilen (Quarz und Alumosilikate) die Bildung niedrigschmelzender, sog. eutektischer, Schmelzen begünstigt. Wegen der Verarmung an Feinstaub kommt es also speziell im Bereich der Staubrückführung, vornehmlich Grobstaubrückführung, zu einer Anreicherung der hochschmelzenden Fraktion der Quarz- und alumosilikathaltigen Aschebestandteile. Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung des Erweichungspunktes der im unteren Bereich des zweiten Verbrennungsraumes befindlichen Asche bis zu 100 K und höher, verglichen mit den Erweichungspunkten der Aschen, bei denen diese Separation nicht stattfindet. Diese Separierung kommt dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders zugute. In dem Verbrennungsbereich, in dem Sauerstoff eingebracht wird, liegen die Schmelzpunkte der Aschen somit höher und demzufolge wird die Gefahr der betriebsstörenden Versinterungen, Agglomerationen oder Verschlackungen in diesem besonders sensiblen Bereich hoher Sauerstoffkonzentrationen deutlich reduziert.
Damit unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber anderen Verfahren der Verbrennung in der zirkulierenden Wirbelschicht, in denen die Brennstoffe in Höhe des Eintrags des/der zur Verbrennung erforderlichen Sauerstoffes/Luft zugeführt werden und Feinstaub und gröbere Aschebestandteile nebeneinander vorliegen und unter Schmelzpunktabsenkung reagieren können.
Durch die Anreicherung der grobkörnigen hochschmelzenden Aschefraktion der Quarz- und alumosilikathaltigen Aschebestandteile im Verbrennungsraum verschiebt sich das Körnungsspektrum des Feststoffinventars in der zweiten Verbrennungszone zu größeren Korndurchmessern. Dies bewirkt, dass die Gasströmungsgeschwindigkeit bei Einhaltung gleicher Feststoffausträge erhöht werden kann, wodurch die spezifische Anlagenleistung steigt.
Im oberen Bereich des Verbrennungsraumes werden die mit Staub beladenen Gase aus dem Verbrennungsraum ausgetragen. Der mit den Gasen mitgeführte Staub besteht im Wesentlichen aus Restkoks mit einem C-Gehalt von < 2 Ma.-%. In einem sich dem oberen Bereich des Verbrennungsraums anschließenden Abscheider wird ein Grossteil des Staubes der Gase als Grobstaub abgeschieden und dem Verbrennungsraum oberhalb der Verbrennungsmitteleindüsung der zweiten Verbrennungsmittel in die zweite Verbrernnungszone zugeführt. Die Zufuhr des abgeschiedenen Grobstaubes erfolgt mit einem Abstand von 1 m bis 10 m, vorzugsweise 2 m bis 5 m, über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszonen. Die Rückführung des abgeschiedenen Grobstaubes erfolgt in einem Eintragswinkel von 90° bis 180°, vorzugsweise von 100° bis 160°. Der Eintragswinkel α₃ ist dabei der Winkel zwischen Grobstaubeintrag (im Allgemeinen dessen geometrische Achse) und der vom Scheitelpunkt des Winkels aus nach unten gesehenen, inneren Kontur des Verbrennungsraumes.
Das erfindungsgemäße Verfahren sichert, dass Kohlenstoff mit einer gleichmäßigen Konzentrationsverteilung auf niedrigem Konzentrationsniveau im Verbrennungsraum vorliegt, überwiegend mit einer Konzentration von < 5 Ma.-% bis sogar < 2 Ma.-% im oberen und im unteren Bereich der zweiten Verbrennungszone.
Dies stellt einen großen Vorteil gegenüber konventionellen Wirbelschichtprozessen dar, da die anfallende aus dem Prozess ausgetragene Asche einen im Vergleich zu konventionellen Wirbelschichtprozessen geringeren Kohlenstoffanteil aufweist. Der Kohlenstoffumsatzgrad des Verbrennungsprozesses wird dadurch stark gesteigert und der Kohlenstoffverlust reduziert.
Um grobkörniges Material störungsfrei abziehen zu können und im Gegenstrom die vollständige Verbrennung unter Zufuhr von ersten Verbrennungsmitteln zu gewährleisten, ist der Boden des Verbrennungsraumes vorzugsweise offen und frei von Einbauten gestaltet.
Als feste Brennstoffe können für das erfindungsgemäße Verfahren Biomassen, einschließlich Klärschlämme, Braunkohlen, Steinkohlen oder Anthrazit und deren Mischungen eingesetzt werden.
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff enthaltenen Verbrennungsmitteln bestehen darin, dass

– durch die veränderte Verbrennungsmittel- und Brennstoffzufuhr sowie Verbrennungsraumauslegung die Nachteile der bekannten Oxyfuel-Verfahren beseitigt werden und zugleich verwertbare Asche anfällt,
– die aufwendige CO₂-Rezirkulation stark reduziert wird, wobei kein hoher anlagentechnischer Aufwand für die Rezirkulationswärmetauscher besteht,
– keine hohen Betriebskosten und kein hoher Eigenverbrauch der Rezirkulationsverdichter anfällt,
– der Verbrennungsprozess nicht unnötig verkompliziert wird, wobei eine höhere Betriebsflexibilität (Lastwechselverhalten) erhalten werden kann,
– es nicht zur erhöhten Korrosion, bzw. erhöhter Ansatzbildungsneigung durch Karbonatbildung kommt,
– die Wirkungsgradverluste (Exergieverluste), insbesondere durch das stark reduzierte Aufwärmen und Abkühlen des viel geringeren CO₂-Massestromes stark vermindert wird,
– der Kohlenstoffumsatzgrad des Verbrennungsprozesses gegenüber konventionellen Wirbelschichtverfahren stark gesteigert und damit der Kohlenstoffverlust reduziert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Verbrennen fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsmitteln gelöst, die im wesentlichen aus einem kühlbaren druckfesten Reaktorgehäuse mit einem Ascheaustrag am Fuß, einem Verbrennungsgasabgang am Kopf des Verbrennungsreaktors besteht und bei der der Verbrennungsraum getrennt ist in mindestens eine erste Verbrennungszone, die als Wanderbett ausgebildet ist, und in mindestens eine darüber befindliche zweite Verbrennungszone, die als stark expandierte oder zirkulierende Wirbelschicht ausgebildet ist.
Die Trennung des Verbrennungsraumes erfolgt durch mindestens eine seitliche, in die Mitte des Verbrennungsraumes gerichtete Eindüsungseinrichtung der für die weitgehende Verbrennung der festen Brennstoffe benötigten zweiten Verbrennungsmittel. Die Eindüsungseinrichtung ist so ausgestaltet ist, das zweite Verbrennungsmittel mit einem Sauerstoffgehalt > 50 Vol.-% und mit einer Geschwindigkeit von > 10 m/s bis 100 m/s eingedüst werden können.
Am unteren Ende der ersten Verbrennungszone der Vorrichtung ist eine Einrichtung zum Eindüsen der für die praktisch vollständige Verbrennung benötigten ersten Verbrennungsmittel mit einem Sauerstoffgehalt der Gasmischung < 50%, vorzugsweise < 21% bis < 10%, angeordnet.
Der Brennstoffeintrag ist soweit über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone angeordnet, dass sich in Höhe des Eintrags und dessen Umgebung keine bot spot – Zonen bilden, in denen Asche überwiegend oder vollständig schmilzt.
Die Eindüsungseinrichtung besteht im Wesentlichen aus mehreren am Umfang der Vorrichtung in einer Ebene gleichmäßig angeordneter Düsen. Der Eindüsungswinkel der Düsen für die zweiten Verbrennungsmittel beträgt 20° bis 100°, vorzugsweise 45° bis 90°. Der Eindüsungswinkel α₁ ist dabei der Winkel zwischen der Eindüsungseinrichtung (im Allgemeinen deren geometrische Achse) und der vom Scheitelpunkt des Winkels aus nach unten gesehenen, inneren Kontur des Verbrennungsraumes. Bei kleineren Apparaten erfolgt die Eindüsung des zweiten Verbrennungsmittels mit einem, gegenüber größeren Apparaten, stumpferen Eindüsungswinkel, so dass die gegenüberliegende innere Oberfläche der Verbrennungsraumummantelung nicht mit freiem Sauerstoff angestrahlt wird.
Die Einrichtung zum Eindüsen der ersten Verbrennungsmittel ist vorteilhaft so ausgestaltet, dass sie die Eindüsung in mehreren übereinander liegenden Bereichen und/oder am unteren Ende der ersten Verbrennungszone gestatten.
Der Brennstoffeintrag ist vorteilhaft als Schrägrohreintrag ausgestaltet. Er ist so ausgerichtet, dass die Zufuhr der festen Brennstoffe in einem Eintragswinkel von 90° bis 180°, vorzugsweise von 100° bis 160° erfolgt. Der Eintragswinkel α₂ ist dabei der Winkel zwischen Brennstoffeintrag (im Allgemeinen dessen geometrische Achse) und der vom Scheitelpunkt des Winkels aus nach unten gesehenen, inneren Kontur des Verbrennungsraumes. Ein annähernd rechter Winkel, zur inneren Kontur des Verbrennungsraumes, begünstigt geringe Apparatebauhöhen. Bei Eintrag von festen Brennstoffen mit schlechtere Fließverhalten ist ein stumpfer bis gestreckter Winkel vorteilhaft.
Der Brennstoffeintrag besteht vorteilhaft aus mehreren am Umfang der Vorrichtung in gleichen oder unterschiedlichen Höhen verteilt angeordneter Schrägrohreinträge.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dem Verbrennungsgasabgang eine Einrichtung zur Staubabtrennung, vornehmlich Grobstaubabtrennung, und Rückführung des abgetrennten Grobstaubes in den unteren Teil der zweiten Verbrennungszone nachgeschalten. Die Einrichtung zur Rückführung des Staubes, vornehmlich Grob staubes, ist so angeordnet, dass sie die Rückführung des Staubes, vornehmlich Grobstaubes, in einem Eintragswinkel von 90° bis 180°, vorzugsweise von 100° bis 160° gestattet. Der Eintragswinkel α₃ ist dabei der Winkel zwischen Grobstaubeintrag (im Allgemeinen dessen geometrische Achse) und der vom Scheitelpunkt des Winkels aus nach unten gesehenen, inneren Kontur des Verbrennungsraumes.
Anhand der schematischen Darstellung nach 1 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Die in 1 dargestellte Verbrennungsanlage besteht aus einem Verbrennungsraum (1), welcher oben zylindrisch und nach unten hin sich konisch verengt, jedoch beidseitig offen ausgebildet ist. Der Innendurchmesser des oberen zylindrischen Abschnittes des Reaktionsraumes beträgt 8 m. Der halbe Kegelwinkel beträgt 8°.
Der Verbrennungsraum (1) ist in eine erste Verbrennungszone (3), wobei diese als Wanderbett ausgebildet ist, und eine darüber befindliche zweite Verbrennungszone (2), wobei diese als zirkulierende Wirbelschicht ausgebildet ist, unterteilt. Die Höhe des Verbrennungsraumes (1) beträgt 30 m.
Die Trennung des Verbrennungsraumes (1) erfolgt durch eine seitliche, in die Mitte des Verbrennungsraumes (1) gerichtete Eindüsung des für die weitgehende Verbrennung des festen Brennstoffes benötigte überwiegend freien Sauerstoffs enthaltenden zweiten Verbrennungsmittels (4), wobei das zweite Verbrennungsmittel (4) mit einer Geschwindigkeit von 20 m/s eingedüst wird. Der Eindüsungswinkel α₁ beträgt 60°. Die Zufuhr des zweiten Verbrennungsmittels (4) erfolgt durch 8 gleichmäßig in einer Düsenebene angeordneter Düsen. Als zweites Verbrennungsmittel (4) wird der zweiten Verbrennungszone (2) ein Gasgemisch aus 90 Vol.-% Sauerstoff und 10 Vol.-% Kohlendioxid mit einer Temperatur von 200°C zugeführt.
Die thermische Leistung der Verbrennungsanlage beträgt 250 MW(th). Als fester Brennstoff (5) kommt deutsche Trockenbraunkohle mit einem Wassergehalt von 12%, einem Ascheschmelzpunkt von 1.250°C und einer Körnung von 0 bis 4 mm zum Einsatz. Die Einsatzmenge der Trockenbraunkohle beträgt 45 t/h und wird mit einer Temperatur von 60°C der Verbrennungsanlage zugeführt. Der Eintrag der Trockenbraunkohle erfolgt mit Hilfe von Schnecken und über 2 bis 3 symmetrisch verteilte Schrägrohre im Bereich des kegelstumpfförmigen Abschnitts der zweiten Verbrennungszone (2) in einem Abstand (h1) von 5 m oberhalb der Verbrennungsmitteldüsenebene. Die Zufuhr erfolgt in einem Eintragswinkel α, von 130°.
Das radiale Geschwindigkeitsprofil der zweiten Verbrennungszone (2) zeigt eine für homogen fluidisierte Wirbelschichten typische Ausbildung. Die axiale Gasgeschwindigkeit steigt in Strömungsrichtung leicht an. Bei einem Verbrennungsraumdurchmesser von 8 m liegt diese bei 5,2 m/s.
Die Umsetzung der Trockenbraunkohle erfolgt zu 90% in der zweiten Verbrennungszone (2) bei Temperaturen zwischen 750°C und 950°C, wobei lokal in den Bereichen, in denen sauerstoffhaltiges zweites Verbrennungsmittel (2) eingedüst wird, auch höhere Temperaturen auftreten können, so dass die unter Anwendung der sauerstoffhaltigen zweiten Verbrennungsmittel (4) zumindest lokal auftretenden Temperaturen den Ascheschmelzpunkt von 1.250°C überschreiten und es zu einem Granulieren von etwa 10% der Aschebestandteile kommt.
Am unteren Ende des Verbrennungsraumes (1) erfolgt in einer offen und frei von Einbauten gestaltet ersten Verbrennungszone (3) der Ascheaustrag (7) und die Zufuhr der für die vollständige Verbrennung des Kohlenstoffs benötigten Menge an erstem Verbrennungsmittel (6), bestehend aus 15 Vol.-% Sauerstoff und 85 Vol.-% Dampf, im Gegenstrom mit einer Temperatur von 200°C.
Das erste Verbrennungsmittel (6) wird zur möglichst vollständigen Verbrennung der restlichen kohlenstoffhaltigen Bestandteile und zur Oxidation der Asche in einer ersten Verbrennungszone (3), wobei diese als Wanderbett ausgebildet ist, eingesetzt. Ferner wird der grobkörnige Rückstand als Bodenprodukt (7), das im Wesentlichen aus Asche und Aschegranulat besteht, gekühlt, bevor dieses störungsfrei das untere Ende der ersten Verbrennungszone (3) des Verbrennungsraumes (1) verlässt.
Der Verbrennungsprozess erfolgt mit λ = 1,1. Dabei werden 1,205 m³(i. N.)O₂/kg Trockenbraunkohle zugeführt. (54.000 m³(i. N.)O₂/h bei 250 MW(th))
Die Geschwindigkeit, mit welcher die unterhalb des sich von oben nach unten bewegenden Wanderbettes der ersten Verbrennungszone (3) verbliebenen festen Reststoffe mittels eines Schneckenförderers aus dem unteren Ende der ersten Verbrennungszone (3) des Verbrennungsraumes (1) ausgetragen werden, wird im wesentlichen bestimmt durch die Verweilzeit der Feststoffe und Stäube im Verbrennungsraum (1), die bei den jeweils gegebenen Verhältnissen, insbesondere Temperaturen, erforderlich ist, um den angestrebten Kohlenstoffumsatz von 100% zu erreichen.
Im oberen Bereich des Verbrennungsraumes (1) wird das staubbeladene Verbrennungsgas (8) ausgetragen. Der mit dem Verbrennungsgas mitgeführte Staub weist einen Kohlenstoffgehalt in der Regel von < 2 Ma.-% auf.
In einem sich dem oberen Bereich des Verbrennungsraumes (1) anschließenden Abscheider (10) wird ein Grossteil des Staubes des Verbrennungsgases, vornehmlich der Grobstaub, abgeschieden und dem Verbrennungsraum (1) oberhalb der Verbrennungsmitteleindüsung des zweiten Verbrennungsmittels (4) in die zweite Verbrennungszone (2) zugeführt. Die Zufuhr des zurückgeführten Staubes (11), vornehmlich Grobstaubes, erfolgt mit einem Abstand (h2) von 3 m über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone (3). Die Rückführung des Feststoffes erfolgt in einem Eintragswinkel α₃ von 130°.
Es konnte weiterhin gefunden werden, dass ein durchschnittlicher Kohlenstoffgehalt im Feststoffanteil in der zweiten Verbrennungszone (2), einer stark expandierten oder zirkulierenden Wirbelschicht, von maximal 2,25% zur Begrenzung der Temperatur im Verbrennungsraum (1) auf < 1.250°C fuhrt und es damit zu keiner betriebsstörenden Schlackebildung kommt.
Würde die Verbrennung von fester Brennstoff (5) in einem der Erfindung vergleichbaren Prozess mit Luft erfolgen und diese Luft als zweites Verbrennungsmittel in eine vergleichbare zweite Verbrennungszone (2), eine stark expandierte oder zirkulierende Wirbelschicht, eingedüst werden, würde zum Erreichen einer Temperatur im Verbrennungsraum (1) von 1.250°C und keiner betriebsstörenden Schlackebildung, etwa 3,5% Kohlenstoffgehalt im Feststoffanteil der zweiten Verbrennungszone (2) benötigt.
Der Kohlenstoffgehalt im Feststoffanteil in der zweiten Verbrennungszone (2), einer stark expandierten oder zirkulierenden Wirbelschicht, ist bei der Verbrennung von fester Brennstoff in einem wie in 1 dargestellten Verbrennungsraum (1) mit Sauerstoff, gegenüber der Verbrennung von fester Brennstoff in einem wie in 1 dargestellten Verbrennungsraum (1) mit Luft, um 1 bis 1,5%-Punkte vermindert.

1: Verbrennungsraum
2: Zweite Verbrennungszone (stark expandierte oder zirkulierende Wirbelschicht)
3: Erste Verbrennungszone (Wanderbett)
4: Zweite Verbrennungsmittel
5: Fester Brennstoff
6: Erste Verbrennungsmittel
7: Asche/Bodenprodukt
8: staubbeladenes Verbrennungsgas
9: Verbrennungsgas
10: Abscheider
11: Zurückgeführter Staub

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004059360 [0004]
- EP 1201731 A1 [0009]

Claims

Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsmitteln, wobei mit Staub beladene Gase einen Verbrennungsraum oberseitig und überwiegend grobkörnige Produkte den Verbrennungsraum als Bodenprodukt unterseitig verlassen, wobei dem Verbrennungsraum die für die vollständige Verbrennung notwendigen Verbrennungsmittel zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsraum getrennt wird in mindestens eine erste Verbrennungszone, wobei diese als Wanderbett ausgebildet ist, und in mindestens eine darüber befindliche zweite Verbrennungszone, wobei diese als stark expandierte oder zirkulierende Wirbelschicht ausgebildet ist, dass die Trennung des Verbrennungsraumes durch mindestens eine seitliche, in die Mitte des Verbrennungsraumes gerichtete Eindüsung der für die weitgehende Verbrennung der festen Brennstoffe benötigten zweiten Verbrennungsmittel erfolgt, wobei die zweiten Verbrennungsmittel einen Sauerstoffgehalt > 50 Vol.-% aufweisen und mit einer Geschwindigkeit von > 10 m/s bis 100 m/s eingedüst werden, dass am unteren Ende der ersten Verbrennungszone die für die praktisch vollständige Verbrennung benötigten ersten Verbrennungsmittel im Gegenstrom eingeblasen werden, wobei der Sauerstoffgehalt der Gasmischung auf < 50%, vorzugsweise < 21% bis < 10% begrenzt wird, und dass die festen Brennstoffe soweit über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone in den Verbrennungsraum eingetragen werden, dass sich in Höhe des Eintrags und dessen Umgebung keine hot spot – Zonen bilden, in denen Asche überwiegend oder vollständig schmilzt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder die zweiten Verbrennungsmittel neben Sauerstoff Kohlendioxid, Wasserdampf, NH₃ und/oder zu entsorgende Purge-Gase enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Brennstoffe in einem Abstand von 1 bis 10 m, vorzugsweise von 2 bis 5 m über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone in den Verbrennungsraume eingetragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der im Verbrennungsgas enthaltene Grobstaub abgeschieden und in den unteren Teil der zweiten Verbrennungszone zurückgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindüsungswinkel α₁ der zweiten Verbrennungsmittel 20° bis 100°, vorzugsweise 45° bis 90° beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr der festen Brennstoffe in einem Eintragswinkel α₂ von 90° bis 180°, vorzugsweise von 100° bis 160° erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung des Grobstaubes in einem Eintragswinkel α₃ von 90° bis 180°, vorzugsweise von 100° bis 160° erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr der Brennstoffe in unterschiedlichen Höhen und verteilt über den Umfang der Verbrennungsraumummantelung erfolgt.
Vorrichtung zum Verbrennen fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsmitteln, bestehend im wesentlichen aus einem kühlbaren einen Verbrennungsraum umschließendes druckfestes Reaktorgehäuse mit einem Ascheaustrag am Fuß, einem Verbrennungsgasabgang am Kopf des Verbrennungsreaktors, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsraum des Verbrennungsreaktors getrennt ist in mindestens eine erste Verbrennungszone, die als Wanderbett ausgebildet ist, und in mindestens eine darüber befindliche zweite Verbrennungszone, die als stark expandierte oder zirkulierende Wirbelschicht ausgebildet ist, dass die Trennung des Verbrennungsraumes durch mindestens eine seitliche, in die Mitte des Verbrennungsraumes gerichtete Eindüsungseinrichtung der für die weitgehende Verbrennung der festen Brennstoffe benötigten zweiten Verbrennungsmittel erfolgt und die so ausgestaltet ist, dass zweite Verbrennungsmittel mit einer Geschwindigkeit von > 10 m/s bis 100 m/s eingedüst werden, dass am unteren Ende der ersten Verbrennungszone eine Einrichtung zum Eindüsen der für die praktisch vollständige Verbrennung benötigten ersten Verbrennungsmittel mit einem Sauerstoffgehalt der Gasmischung < 50%, vorzugsweise < 21% bis < 10%, angeordnet ist, und dass ein Brennstoffeintrag soweit über denn oberen Ende der ersten Verbrennungszone angeordnet ist, dass sich in Höhe des Eintrags und dessen Umgebung keine hot spot – Zonen bilden, in denen Asche überwiegend oder vollständig schmilzt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsungseinrichtung aus mehreren am Umfang des Verbrennungsreaktors in einer Ebene gleichmäßig angeordneten Düsen besteht und der Eindüsungswinkel α₁ der Düsen für die zweiten Verbrennungsmittel 20° bis 100°, vorzugsweise 45° bis 90° beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Eindüsen der ersten Verbrennungsmittel so ausgestaltet ist, dass sie die Eindüsung in mehreren übereinander liegenden Bereichen und/oder am unteren Ende der ersten Verbrennungszone gestattet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffeintrag als Schrägrohreintrag ausgestaltet und so ausgerichtet ist, dass die Zufuhr der festen Brennstoffe in einem Eintragswinkel α₂ von 90° bis 180°, vorzugsweise von 100° bis 160° erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffeintrag aus mehreren am Umfang des Verbrennungsreaktors in gleichen oder unterschiedlichen Höhen verteilt angeordneten Schrägrohreinträgen besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verbrennungsgasabgang eine Einrichtung zur Staubabtrennung und Staubrückführung in den unteren Teil der zweiten Verbrennungszone nachgeschalten ist und die Einrichtung zur Staubrückführung so angeordnet ist, dass sie die Staubrückführung in einem Eintragswinkel α₃ von 90° bis 180°, vorzugsweise von 100° bis 160° gestattet.