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Die
Erfindung betrifft ein Oxyfuel-Verfahren und eine Vorrichtung für ein Oxyfuel-Verfahren
zum Verbrennen fester, kohlenstoffhaltiger Brennstoffe mit freien
Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsmitteln.
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Im
Oxyfuel-Verfahren wird bei der Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen
Brennstoffes ein nahezu reiner CO3-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).
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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 CO3-Partialdruck im Rauchgas. Dieser ist für die Abtrennung
der meisten Störstoffe
aus dem Rauchgas von Vorteil. Das mit der Verbrennung anfallende Wasser
kann leicht auskondensiert werden.
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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 A1 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 diesem Zustand aus
der Feuerung abgeführt
wird.
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Die
genannten bekannten Lösungen
sehen die Verbrennung in Staubfeuerungen mit trockener und nasser
Entaschung vor.
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Beide
Lösungen
haben den Nachteil einer aufwendigen CO3-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.
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Bekannt
sind eine Vielzahl von Vorrichtungen und Verfahren zur Verbrennung
kohlstoffhaltiger Brennstoffe. So offenbart die
DE 40 11 649 C2 eine Verbrennungsvorrichtung
zur Wärmeerzeugung
aus festen, flüssigen
und/oder gasförmigen
Brennstoffen und/oder brennbaren Reststoffen in einer Strahlschicht,
in der monodisperses Schüttgut
als Wärmeträgermaterial
und/oder additiv intern zirkuliert und der über verschiedene Aufgabenstellen
feste, flüssige
und/oder gasförmige
Brennstoffe zur Verbrennung zugeführt werden, versehen mit einer
feuerfesten Wärmedämmung und
abgasseitig nachgeordneten Wärmeübertragungssystemen.
Ein einfach aufgebauter Mehrstoffbrenner mit hoher Leistungsdichte und
hoher Brennstoffvariabilität
nutzt dazu die physikalischen, wärmetechnischen
und verbrennungstechnischen Wirkprinzipen der intern zirkulierenden Strahlschicht,
eine spezielle Ausführungsform
der Wirbelschicht.
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Aus
der
DE 10 2004
059 360 A1 ist ein Verfahren zur Verbrennung von fossilem
Brennstoff in nach dem Oxyfuel-Prozess arbeitenden Kraftwerken bekannt,
wobei bei der Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes
als Endprodukt ein weitgehend reiner Kohlendioxidstrom erzeugt wird,
in dem die Verbrennung mit reinem Sauerstoff durchgeführt wird.
Dabei wird als Feuerung eine an sich bekannte Schmelzfeuerung verwendet,
wobei die Feuerung derart ausgebildet ist und bei Temperaturen von 1.500
bis 2.000°C
betrieben wird, dass wenigstens ein Teil der Asche schmelzflüssig anfällt und
in diesem Zustand aus der Feuerung abgeführt wird. Mit einer solchen
Feuerung werden Betriebstemperaturen deutlich über dem Ascheschmelzpunkt erreicht. Dadurch
soll die erforderliche Rezirkulationsgasmenge deutlich gesenkt werden.
Das Schlackengranulat aus der Schmelzfeuerung wird für den Straßenbau verwendet.
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Die
WO 01/84051 A1 beschreibt
ein Verfahren für
die Verbrennung von organischem Reststoff, z. B. Klärschlamm,
Abwasserlaugen, granulierte Kunststoffabfälle etc. indem der Reststoff
einen Verbrennungsraum von einem sauerstoffhaltigen Fluidisierungsgas
unter Bildung einer fluidisierten Partikelschicht durch eine Fluidisierungseinrichtung
von unten durchströmt
und verbrennt und entstehendes Rauchgas über einen Freiraum oberhalb
des Partikelschicht abgezogen und in einer Nachreaktionszone oder
Nachbrennkammer nachverbrannt wird.
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Die
WO 93/18341 A1 offenbart
ein zweistufiges Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe, bei
dem in einer ersten Stufe kohlenstoffhaltiges Material unter unterstöchiometrischen
Sauerstoffverhältnissen
und in einer zweiten Stufe bei Sauerstoffüberschuss und Zufuhr eines
schwefelhaltigen Mittels verbrannt werden. Dazu ist der Verbrennungsraum
getrennt in mindestens eine erste Verbrennungszone und in mindestens
eine darüber
befindliche zweite Verbrennungszone.
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EP 0 722 067 A2 betrifft
eine Vorrichtung zur Verbrennung von industriellen Abfällen, Stadtabfällen und
Kohlen mittels Luft und einer Wirbelschicht zur Rückgewinnung
von Wärme.
Bestandteil ist eine spezielle Ausführung des Brennraumbodens.
Dieser besteht aus zwei Platten, die jeweils so abgesenkt sind,
dass sich zwischen ihnen je eine Wirbelschicht ausbildet. Die Luftzufuhr
erfolgt von unten über
den Boden. Die Erzeugung der Wirbelschicht erfolgt nicht durch eine
definierte Brennstoff- und Verbrennungsmittelzufuhr, sondern durch
eine besondere Ausprägung
des Brennraumbodens.
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US 5 156 099 A beschreibt
einen Wirbelschicht-Verbrennungsprozess, bei dem Verbrennungsmaterialien
wie Kohle in einer Wirbelschicht verbrannt werden und die entstehende
Wärme oberhalb
der Wirbelschicht in einem Freiraum mittels Wärmetauscher abgeführt wird.
Die Verbrennung erfolgt mit Luft über zwei Einträge in die
Wirbelschicht mit einem primären
hohen Luftmassenstrom zur Verbrennung und einem geringeren sekundären Luftmassenstrom
zur Wirbeischichtausbildung und -kontrolle.
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Aus
der Vergasungstechnik sind weiterhin Verfahren bekannt, bei denen
kohlenstoffhaltige Bremstuffe 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.
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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.
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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 Strömunsrichtung 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.
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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.
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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.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den
Merkmalen der Ansprüche
1 bzw. 9 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen beinhalten die nachgeordneten Ansprüche 2 bis
8 bzw. 10 bis 14.
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Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
der Verbrennungsraum getrennt 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. Die Trennung des Verbrennungsraumes
erfolgt durch mindestens eine seitliche, in die Mitte des Verbrennungsraumes
gerichtete Eindüsung
der für
die weitgehende Verbrennung der festen Brennstoffe benötigten zweiten
Verbrennungsmittel, wobei die zweiten Verbrennungsmittel einen Sauerstoffgehalt > 50 Vol.-% aufweisen
und mit einer Geschwindigkeit von > 10
m/s bis 100 m/s eingedüst
werden. Am unteren Ende der ersten Verbrennungszone werden die für die praktisch
vollständige
Verbrennung benötigten
ersten Verbrennungsmittel im Gegenstrom eingeblasen, wobei der Sauerstoffgehalt
der Gasmischung auf < 50%,
vorzugsweise < 21%
bis < 10% begrenzt
wird. Die festen Brennstoffe werden soweit über dem oberen Ende der ersten
Verbrennungszone in den Verbrennungsraum eingetragen, 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.
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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).
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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.
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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.
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Die
Brennstoffe werden über
denn 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 m 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 vorn 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 schlechtem Fließverhalten
ist ein stumpfer bis gestreckter Winkel vorteilhaft.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 einzudüsen. 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
oberen Bereich des Verbrennungsraumes werden die mit Staub beladenen
Gase aus denn Verbrennungsraum ausgetragen. Der mit den Gasen mitgeführte Staub
besteht im Wesentlichen aus Restkoks mit einen 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 Verbrennungszone 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.
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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.
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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.
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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.
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Als
feste Brennstoffe können
für das
erfindungsgemäße Verfahren
Biomassen, einschließlich Klärschlämme, Braunkohlen,
Steinkohlen oder Anthrazit und deren Mischungen eingesetzt werden.
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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.
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Die
Vorrichtung zum Verbrennen fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff
enthaltenden Verbrennungsmitteln besteht im Wesentlichen aus einem
kühlbaren
druckfesten Reaktorgehäuse
mit einem Ascheaustrag am Fuß,
einem Verbrennungsgasabgang am Kopf des Verbrennungsreaktors. Der Verbrennungsraum
ist getrennt 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.
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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.
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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.
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Der
Brennstoffeintrag ist soweit über
dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone angeordnet, dass sich
in Höhe
des Eintrags und dessen Umgebung keine hot spot-Zonen bilden, in
denen Asche überwiegend
oder vollständig
schmilzt.
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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.
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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.
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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 schlechtem Fließverhalten
ist ein stumpfer bis gestreckter Winkel vorteilhaft.
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Der
Brennstoffeintrag besteht vorteilhaft aus mehreren am Umfang der
Vorrichtung in gleichen oder unterschiedlichen Höhen verteilt angeordneter Schrägrohreinträge.
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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 Grobstaubes, 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.
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Anhand
der schematischen Darstellung nach 1 wird ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert.
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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°.
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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.
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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.
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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 α2 von 130°.
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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.
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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 (4)
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.
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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.
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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. Feiner wird der grobkörnige Rückstand
als Bodenprodukt/Ascheaustrag (7), das im Wesentlichen
aus Asche und Aschegranulat besteht, gekühlt, bevor dieses störungsfrei
das untere Ende der ersten Verbrennungszone (3) des Verbrennungsraumes
(1) verlässt.
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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)).
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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.
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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.
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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°.
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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 führt und
es damit zu keiner betriebsstörenden
Schlackebildung kommt.
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Würde die
Verbrennung von festem 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.
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Der
Kohlenstoffgehalt im Feststoffanteil in der zweiten Verbrennungszone
(2), einer stark expandierten oder zirkulierenden Wirbelschicht,
ist bei der Verbrennung von festem Brennstoff in einem wie in 1 dargestellten
Verbrennungsraum (1) mit Sauerstoff, gegenüber der
Verbrennung von festem Brennstoff in einem wie in 1 dargestellten
Verbrennungsraum (1) mit Luft, um 1 bis 1,5%-Punkte vermindert.
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Bezugszeichenliste
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- 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/Ascheaustrag
- 8
- staubbeladenes
Verbrennungsgas
- 9
- Verbrennungsgas
- 10
- Abscheider
- 11
- Zurückgeführter Staub