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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungsanlage und ein Verfahren
zum Austrag von Verbrennungsrückständen daraus.
Die Verbrennungsanlage umfasst einen Nassentschlacker mit einer
flexiblen Wärmedämmschicht
und das Verfahren ist bestimmt zum Ressourcen schonenden Betrieb einer
Verbrennungsanlage mit Nassentschlacker, insbesondere hinsichtlich
des Wärmeaustrags
vom Brennraum in das Entschlackungsbad.
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Viele
Verbrennungsanlagen wie z. B. Drehrohr- oder Rostfeuerungen bestehen
in der Regel aus einer zweistufigen Verbrennung. In einer ersten
Stufe werden vor allem Feststoffe verbrannt, während in einer zweiten Stufe
in der Regel die Nachverbrennung in der Gasphase erfolgt. Die dabei
eingesetzten Stoffe werden nicht nur umweltschonend entsorgt, sofern es
sich um Rückstände oder
Abfälle
handelt, sondern vor allem auch energetisch genutzt, d. h. die bei
der Verbrennung entstehenden heissen Rauchgase werden in einem Abhitzekessel
zur Erzeugung von Prozessdampf genutzt, der anschließend ins
Fernwärmenetz
eingespeist oder in elektrische Energie (Strom) umgewandelt werden
kann.
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Um
eine solche Verbrennungsanlage möglichst
effizient zu betreiben und damit einen hohen energetischen Wirkungsgrad
zu erreichen, müssen Wärmeverluste,
vor allem Oberflächenverluste
durch Wärmeleitung,
Konvektion und Strahlung, vor Eintritt in den Abhitzekessel gering
gehalten werden. Im Feuerraum einer Verbrennungsanlage wird der
Wärmeverlust
durch verschiedene Isolationsschichten in der Feuerfestausmauerung
gemindert. Je geringer der Wärmeverlust
im Bereich der Feuerung ist, desto höher ist anschließend die
Energieausbeute in Form von Prozessdampf. Die Prozessdampfmenge
ist für Betreiber
einer Verbrennungsanlage eine wesentliche Einnahmequelle.
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Der
Nassentschlacker, welcher sich üblicherweise
zwischen der ersten und zweiten Verbrennungsstufe einer solchen
Verbrennungsanlage befindet, ist dabei eine bisher wenig beachtete
Wärmeverlustquelle. Über den
Nassentschlacker werden die ausgebrannten inerten Reststoffe aus
der Feststoffverbrennung (erste Verbrennungsstufe) trocken (Asche)
oder schmelzflüssig
(Schlacke) ausgetragen.
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Beispielsweise
bei Drehrohrfeuerungen erfolgt dieser Austrag in der Regel schmelzflüssig. Dabei
fällt bzw.
tropft die schmelzflüssige
Schlacke aus dem Drehrohrofen über
einen Fallschacht in ein Wasserbad, wo die Schlacke bei Eintritt
in das Wasserbad schlagartig abgeschreckt wird. Aus dem Wasserbad des
Nassentschlackers wird die abgekühlte,
erstarrte Schlacke über
ein Fördersystem
als fester, glasartiger Reststoff in einen Sammelcontainer abgeworfen und
anschließend
weiteren Behandlungsverfahren zugeführt.
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Der
Nassentschlacker bietet nicht nur die Möglichkeit, inerte Feststoffe
aus dem Feuerraum auszuschleusen, sondern bildet gleichzeitig auch den
Luftabschluss gegen Falschlufteintrag von außen in den Feuerraum. Dieser
Luftabschluss gewährleistet
einen Betrieb der Verbrennungsanlage bei reduziertem Druck.
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Beim
Verbrennungsvorgang laufen komplexe physikalische und chemische
Prozesse ab. Dabei werden von den Zwischen- und Endprodukten der Verbrennung
(z. B. CO2, CO, Kohlenwasserstoffe, H2O, Ruß,
Asche, etc.) aufgrund ihres hohen Temperatur- und Energiezustandes
elektromagnetische Wellen in Form von Licht emittiert. Das Spektrum
der elektromagnetischen Wellen reicht vom kurzwelligen UV- bis in
den langwelligen IR-Bereich. Treffen diese elektromagnetische Wellen
auf die Oberfläche
von Körpern
(z. B. Partikel, Feuerraumwände,
Nassentschlackerwasser), so finden an der Oberfläche Absorptions- und Reflexionsvorgänge statt.
Wird die Strahlung vom Körper absorbiert,
so erhöht
sich nach dem Kirchhoffschen Strahlungsgesetz seine Temperatur,
was wiederum zu einer erhöhten
Emission von Temperatur-/Wärmestrahlung
führt.
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Die
Emissivität ε eines Körpers beschreibt dabei
das Verhältnis
zwischen der vom Körper
absorbierten Strahlung und der auf ihn auftreffenden Strahlung.
Je geringer die Emissivität ε ist, desto
geringer ist auch die Absorption bzw. desto höher ist die Reflexion der auftreffenden
Strahlung. Ist die Emissivität ε = 1, so
liegt ein idealer schwarzer Körper
vor, der jede auf ihn auftreffende Strahlung vollständig absorbiert.
Die vom Körper
absorbierte Strahlung wird in Wärme
umgewandelt und anschließend
in Form von Wärme-/Temperaturstrahlung
wieder gleichmäßig in alle
Richtungen der Umgebung abgegeben.
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Heiße Feuerraumwände (ε = ca. 0,8)
absorbieren einen Großteil
dieser Strahlung, aber reflektieren auch einen nicht unerheblichen
Anteil zurück
ins Innere des Feuerraumes. Gelangt elektromagnetische Strahlung
jedoch an die dunkle Wasseroberfläche eines Nassentschlackers
(ε = ca.
0,96–0,98), wird
nahezu die gesamte auftreffende Strahlung absorbiert. Die Wassertemperatur
des Nassentschlackers beginnt zu steigen und die Verdampfung an
der Wasseroberfläche
wird begünstigt.
Die geringe Strahlungsreflexion an der Wasseroberfläche sowie der
relativ kalte Wasserdampf, der aus dem Nassentschlacker entweicht
und sich in das heiße
Verbrennungsgas der Anlage einmischt, führen zu einer unerwünschten
Absenkung der Rauchgastemperatur, insbesondere am Übergang
vom Drehrohrofen in die Nachbrennkammer. Ein weiterer Nachteil ist
in diesem Zusammenhang der Mehrverbrauch an Prozesswasser.
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Vor
allem bei Drehrohranlagen mit kleinen Durchmesser-Längen-Verhältnissen,
wo aufgrund großer
Oberflächen
(im Verhältnis
zum Volumen) bereits höhere
Wärmeverluste
vorliegen, oder bei Betriebsfahrweisen mit großen Lastschwankungen kann eine
solche Temperaturabsenkung am Übergang
vom Drehrohrofen in die Nachbrennkammer zu einer schnellen und unerwünschten
Abkühlung
der schmelzflüssigen
Schlacke nahe des Drehrohraustrages führen. Die schmelzflüssige Schlacke
beginnt bereits am Drehrohraustrag zu erstarren. Ein kontinuierlicher
Schlackeaustrag kann erschwert werden, wenn durch das Abkühlen der
Schlacke am Drehrohraustrag sog. Schlackenasen entstehen, die langsam
aus dem Drehrohrofen heraus wachsen. Werden diese Schlackenasen
zu groß,
brechen sie aufgrund ihrer Schwerkraft ab und fallen als heiße Brocken
in den Nassentschlacker. Brechen dabei größere Schlackebrocken unkontrolliert
ab, so können
der Nassentschlacker sowie weitere Anlagenkomponenten, infolge heftiger
Druckstöße, beschädigt werden. Diese
Schädigungen
können
im Extremfall sogar ein sofortiges Abfahren der gesamten Verbrennungsanlage
erforderlich machen und dabei hohe Reparaturkosten verursachen.
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Erstarrt
die Schlacke am Drehrohraustrag aufgrund eines sehr großen Temperaturgefälles zu schnell,
so kommt es bereits im Inneren des Drehrohres zu einer Erstarrung.
Durch Aufstauen von Schlacke nahe des Drehrohraustrages wächst der
Drehrohrofen langsam zu. Der lichte Durchmesser am Drehrohraustrag
schrumpft, bis kein geregelter Anlagenbetrieb mehr möglich ist.
Dann muss ebenfalls die gesamte Anlage umgehend abgefahren und die Schlacke
anschließend
mechanisch abgebaut werden. Die Problematik des Schlackeaustrages
aus dem Drehrohrofen hingegen werden seitens der Anlagenbetreiber
unterschiedliche Verfahren angewandt.
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Eine
Möglichkeit
zur Erleichterung des Schlackeaustrages bietet der Einsatz von so
genannten Schlackeabstreifern. Mit Hilfe dieser fest installierten
Schlackeabstreifer wird die Bildung von größeren Schlackenasen vermieden,
da die aus der Brennkammer herauswachsende Schlacke an den Schlackeabstreifern
abstreift und nach unten in den Nassentschlacker fällt. Somit
kann durch den Einsatz von Schlackeabstreifern eine Zusatzbelastung
des Nassentschlackers sowie der gesamten Verbrennungsanlage vermieden
werden. Die mechanische und thermische Beanspruchung dieser Abstreifer
ist erheblich.
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Anstelle
von Schlackeabstreifern können auch
zusätzliche
Abschmelzbrenner nahe des Schlackeaustrages installiert werden.
Durch den dauerhaften oder auch nur kurzzeitigen Einsatz von solchen Brennern
kann die Temperatur (insbesondere die Schlacketemperatur) am Übergang
vom Drehrohrofen in die Nachbrennkammer deutlich angehoben werden.
Der Schlackeaustrag wird erleichtert, da höhere Temperaturen zu einer
deutlich flüssigeren Schlacke
mit niedriger Viskosität
führen,
welche langsamer abgekühlt
und dadurch leichter aus dem Drehrohrofen ausgetragen werden kann.
Die Bildung von größeren Schlackenasen
oder gar das Zuwachsen des Drehrohrofens mit Schlacke kann mit Hilfe
von Abschmelzbrennern vermieden werden. Nachteil hierbei ist der
konstruktionsbedingte Aufwand und der Mehrverbrauch an Brennstoff,
der die Betriebskosten erhöht.
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Zentrale
Problemzone für
den Verlust an Strahlungswärme
ist der direkte Kontakt der Wasseroberfläche des Nassentschlackers mit
dem Brennraum. Die
EP
0 972 988 B1 offenbart dazu zwar einen Nassentschlacker
mit einer Wärmedämmschicht
aus Schwimmkörpern,
die das Wasserbad gegen die Umgebungstemperatur thermisch isoliert.
Diese ist außerhalb
eines Fallschachts positioniert, der in das Wasserbad des Nassentschlackers hineinragt,
so dass keine Schwimmkörper
in den Fallschacht gelangen. Diese Bauweise hat allerdings den Nachteil,
dass die Effizienz der Anlage vermindert wird, weil sowohl erstens
den Verbrennungsvorgang negativ beeinflussender Wasserdampf aus
dem heißen
Wasserbad in den Brennraum als auch zweitens dem System dadurch
verlorengehende Strahlungswärme
aus dem Brennraum direkt in den Nassentschlacker hineingelangt.
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Ausgehend
hiervon ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Verbrennungsanlage
mit Nassentschlacker und ein Verfahren zum Austrag von Verbrennungsrückständen bereitzustellen,
welche die Nachteile des Standes der Technik reduzieren.
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Insbesondere
sollen hiermit die Wärmeverluste
am Nassentschlacker einer Verbrennungsanlage reduziert werden, um
somit die Anlageneffizienz zu erhöhen. Darüber hinaus soll bei der Verwendung von
Drehrohranlagen durch die thermische Optimierung am Nassentschlacker
der Schlackeaustrag verbessert werden. Ein weiteres Ziel der Erfindung
liegt darin, die Verdunstung von Wasser am Nassentschlacker zu reduzieren.
Gleichzeitig sollte aber der Eintrag von Verbrennungsrückständen in
Form von fester oder flüssiger
Schlacke bzw. Asche aus der Brennkammer in das Wasserbad des Nassentschlackers
nicht beeinträchtigt
werden.
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Des
Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen,
mit welchem eine Verbrennungsanlage mit Nassentschlacker Ressourcen schonender
betrieben werden kann als im Stand der Technik bekannt.
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Die
Aufgabe wird durch eine Verbrennungsanlage mit Nassentschlacker
gemäß den Merkmalen aus
dem Anspruch 1 sowie einem Verfahren zum Austrag von Verbrennungsrückständen nach
Anspruch 14 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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Eine
Lösung,
um den Verlust an Strahlungswärme
aus dem Brennraum einer Verbrennungsanlage in den Nassentschlacker
zu verhindern, ist eine Abdeckung der Wasseroberfläche des
Nassentschlackers mit einer flexiblen Wärmedämmschicht. Diese Wärmedämmschicht
umfasst eine Vielzahl von Schwimmkörpern, welche die Wasseroberfläche zum Brennraum
hin abtrennen, sodass die Strahlungswärme zum überwiegenden Teil auf die Schwimmkörper trifft
und nicht auf die Wasseroberfläche.
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Die
Schwimmkörper
sind gegeneinander beweglich. Beweglich bedeutet in diesem Zusammenhang,
dass sich die Schwimmkörper
auf der Wasseroberfläche
horizontal bewegen können,
damit eine Lücke
entsteht, um herunterfallende Verbrennungsrückstände passieren zu lassen. Des
Weiteren können
sich die Schwimmkörper
vertikal bewegen, was insbesondere eine Verschiebung einzelner Schwimmkörper zwischen
mehreren Schichten ermöglicht.
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In
einer bevorzugten Ausführung
weisen die Schwimmkörper
mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad auf. Rotatorische Freiheitsgrade
sind Bewegungen um eine der drei Rotationsachsen des Schwimmkörpers, wobei
der Schwerpunkt des Körpers
nicht verschoben wird. Fallen Verbrennungsrückstände aus dem Brennraum auf die
Schwimmkörper
mit einem rotatorischen Freiheitsgrad, so findet eine kurzzeitige
Auslenkung des Schwerpunkts statt worauf die Schwimmkörper mit
einer Drehbewegung reagieren, die die Verbrennungsrückstände in Richtung
des Wasserbads weiterbewegen. Die Rotationsbewegungen sind in diesem
Zusammenhang nicht beschränkt
auf Vollrotationen, auch Kippbewegungen, bei welchen der Körper nach
der Drehbewegung wieder in die Ausgangsstellung zurückrotiert, sind
inbegriffen. Folglich ist in einer besonders bevorzugten Ausführung mindestens
eine Drehachse der Schwimmkörper
nicht parallel zur Achse des Gravitationsfelds. Die Drehachse ist
bevorzugt in einem Winkel zur Wasseroberfläche, der zwischen 0° und 89°, besonders
bevorzugt zwischen 0° und
45° ausgerichtet.
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Durch
diese Merkmale funktionieren die Schwimmkörper als flexible Barriere,
damit die Verbrennungsrückstände aus
dem Brennraum durch die aus Schwimmkörpern bestehende Wärmedämmschicht
hindurch in das Wasserbad gelangen können. Die Schwimmkörper organisieren
sich aufgrund ihrer Schwimmfähigkeit,
ihres Gewichts sowie der Wasserbewegung beim Eindringen von Schlackeanteilen
selbstständig
zu einer weitgehend geschlossenen Schicht.
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In
einer bevorzugten Ausführung
sind die Schwimmkörper
aus einem Material gefertigt, welches eine Emissivität ε aufweist,
die kleiner als die des Wassers ist, also zwischen 0 und 0,96, besonders
bevorzugt zwischen 0,01 und 0,2 (Werte für polierte Metalloberflächen oder
metallbedampfte Oberflächen).
Somit kann gewährleistet
werden, dass ein erheblicher Teil der Wärmestrahlung zurück in den Brennraum
reflektiert wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführung sollten
die Schwimmkörper
aus Materialien gefertigt sein, die im Idealfall einen wartungsfreien
Dauerbetrieb ermöglichen.
Dementsprechend sind temperaturbeständige, vorzugsweise feuerfeste
Materialien erforderlich, da im Brennraum hohe Temperaturen herrschen.
Je nach Anlagenkonzept, Brennstoff und Höhe des Fallschachts sind über der
Wasseroberfläche
eines konventionellen Nassentschlackers ohne Abdeckung Temperaturen
von ca. 150°C–200°C zu erwarten.
Hinzu kommt, dass die herunterfallende Schlacke in noch heißerem Zustand
auf die Schwimmkörper
auftrifft. Dementsprechend sind für die Schwimmkörperoberfläche temperaturbeständige oder
feuerfeste Materialien erforderlich, die eine Hitzebeständigkeit
bei Temperaturen von mindestens 200°C aufweisen.
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Ein
weiterer Aspekt ist die mechanische Beanspruchbarkeit der Schwimmkörper, da
die herab fallenden Verbrennungsrückstände die Schwimmkörper beschädigen könnten. Bevorzugte
Materialien sind in diesem Zusammenhang metallische Materialien,
insbesondere Edelstähle,
da diese neben der mechanischen Formstabilität auch ein hohes Maß an Korrosionsbeständigkeit
aufweisen. Ferner haben Metalloberflächen eine niedrige Emissivität, z. B.
hat poliertes Eisen eine Emissivität ε zwischen 0,04 und 0,19. Vorzugsweise
sind auch Stahllegierungen mit Chrom, Nickel, Molybdän, Titan
oder Vanadium geeignet.
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Ein
weiteres bevorzugtes Material für
die Schwimmkörper
stellen keramische Materialien dar. Keramiken zeichnen sich ebenfalls
durch einen hohe Formstabilität
und mechanische Beanspruchbarkeit aus. Insbesondere werden technische
Keramiken oder Ingenieurskeramiken verwendet. In diesem Zusammenhang
können
sog. Nichtoxidkeramiken (beispielsweise Nitride, Carbide oder Boride)
verwendet werden, die durch eine meist graue bis dunkelgraue Färbung gekennzeichnet
sind, vorzugsweise können aber
die weiß bis
gelblich gefärbten
und daher eine bevorzugt geringere Emissivität aufweisenden Oxidkeramiken
(beispielsweise Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkoniumdioxid) verwendet
werden.
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Als
weitere bevorzugte Materialien für
die Schwimmkörper
können
temperaturbeständige Kunststoffe
zum Einsatz kommen. Besonders bevorzugt werden hierbei polyfluorierte
Kunststoffmaterialien wie Polytetrafluorethen (Teflon®) oder
polyfluorierter Kautschuk (Viton®) eingesetzt.
Temperaturbeständigkeit
bedeutet in diesem Zusammenhang eine Hitzebeständigkeit bei Temperaturen von
mindestens 200°C.
Die Hitzebeständigkeit
liegen lt. Hersteller von Viton® bei
200°C und
die von Teflon® bei
260°C
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Aufgrund
ihrer hohen spezifischen Dichte sind Metalle, Keramiken oder Kunststoffe
meist nicht schwimmfähig
und sollten vorzugsweise als Hohlkörper gefertigt sein. Alternativ
können
die Schwimmkörper
aus porösem
Material gefertigt sein, wobei die Poren vorzugsweise geschlossen
sind.
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Besonders
bevorzugt sind Schwimmkörper, deren
Oberfläche
eine reflektierende Beschichtung aufweist, die dem Körper eine
besonders geringe Emissivität
verleiht. Ebenso ist durch eine Beschichtung eine offene Porosität verschließbar. Vorzugsweise
ist die Oberfläche
zusätzlich
geglättet
oder poliert.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführung sind die Schwimmkörper kugelförmig.
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In
einer besonderen Hinsicht betrifft die Erfindung die Verwendung
einer Wärmedämmschicht
für Nassentschlacker
in Verbrennungsanlagen, umfassend eine Vielzahl von gegeneinander
beweglicher und bevorzugt um mindestens eine Drehachse rotierfähiger Schwimmkörper.
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Die
erfindungsgemäße Wärmedämmschicht ist
aufgrund ihres Aufbaus mit einer Vielzahl von Schwimmkörpern flexibel
in unterschiedlichen Verbrennungsanlagen mit Nassentschlacker verwendbar.
Bestehende Verbrennungsanlagen können
auch einfach ohne bauliche Zusatzmaßnahmen am Nassentschlacker
nachgerüstet
werden.
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Bei
der Verwendung der erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht
in Verbrennungsanlagen wird die Betriebstemperatur im Brennraum
erhöht
und der Wärmeverlust
am Nassentschlacker erniedrigt. Dies macht folglich einen zusätzlichen
Energieeintrag zur Kompensierung von Wärmeverlusten und/oder zur Verflüssigung
von Schlackebestandteilen überflüssig. Insbesondere
bei Verbrennungsanlagen mit Drehrohrfeuerung wird der Austrag der
Schlacke aus dem Verbrennungssystem vereinfacht, da die Schlacke
am Brennkammerauslauf nicht erstarrt.
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Optional
können
mehrere Schichten von Schwimmkörpern
verwendet werden, damit die Wasseroberfläche maximal abgedeckt wird.
Hierzu können
gegebenenfalls Schwimmkörper
unterschiedlicher Größe verwendet
werden.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus der Verbrennungsanlage
ist die stark verringerte Evaporation des Wassers im Nassentschlacker.
Im normalen Betrieb einer konventionellen Verbrennungsanlage ohne
Wärmedämmschicht
wird das Wasserbad auf etwa 30°C
bis 80°C
aufgeheizt, was einen erheblichen Wärmeverlust darstellt. Außerdem findet
bei dieser Temperatur eine erhebliche Verdunstung statt. Die auf
die Wasseroberfläche
auftreffende Strahlungswärme
beschleunigt den Verdunstungsprozess. Die Verdunstung von Wasser
ist ein endothermer Prozess; die hierfür notwendige Verdampfungsenthalpie
geht dem System verloren und ist eine weitere Energieverlustquelle
in Verbrennungsanlagen. Die Schwimmkörper der Dämmschicht reduzieren die Kontaktfläche zwischen
Wasserbad und Gasraum (Brennraum). Somit wird zusätzlich die
Verdunstung von Wasser aus dem Nassentschlacker in den Brennraum
verringert. Ein reduzierter Verbrauch an Prozesswasser ist ein weiterer Vorteil
der Erfindung.
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Erfindungsgemäß werden
die Verbrennungsrückstände aus
Verbrennungsanlagen mit Nassentschlacker nach folgendem Verfahren
ausgetragen: Zunächst
wird eine Verbrennungsanlage bereitgestellt mit einer als Wasserbad
dienenden Wanne für
eine Aufnahme von Verbrennungsrückständen (Nassentschlacker),
umfassend eine schwimmfähigen
Wärmedämmschicht,
die eine Vielzahl von gegeneinander beweglicher Schwimmkörpern umfasst. Anschließend werden
im Verbrennungsraum die festen Brennstoffe wie z. B. Produktionsrückstände aus der
Industrie, Hausmüll,
Ersatzbrennstoffe, Kohle oder Biomasse verbrannt. Dies kann sowohl über eine
Rost- oder eine Drehrohrfeuerung aber auch in Kohle-Verbrennungskesseln
geschehen. Die hierbei entstehenden Verbrennungsrückstände (Schlacken, Asche)
werden im folgenden Verfahrensschritt am Ende des Drehrohres oder
des Rostes bzw. im unteren Teil des Kohle-Verbrennungskessels durch
einen Fallschacht in das Wasserbad des Nassentschlackers ausgetragen,
wobei die Verbrennungsrückstände vor
dem Eintritt in das Wasserbad die Wärmedämmschicht durchdringen.
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Da
dieses Wasserbad erfindungsgemäß mit einer
Wärmedämmschicht
aus Schwimmkörpern
bedeckt ist, fallen die Rückstände zunächst auf
die Schwimmkörper,
die jedoch aufgrund ihrer Bewegungsfreiheitsgrade keine Barriere
darstellen, sondern die Rückstände in das
Wasserbad passieren lassen. Hierbei können sich die Schwimmkörper entweder
horizontal bzw. vertikal verschieben, um eine Lücke auszubilden.
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Vorzugsweise
besitzen die Schwimmkörper mindestens
eine Drehachse, um welche sie rotieren können. Die Rotationsbewegung
kommt beim Austrag der Verbrennungsrückstände dadurch zustande, dass
durch die auftreffenden Feststoffe der Schwerpunkt der Schwimmkörper derart
verändert
wird, dass im Gravitationsfeld eine Rotations- oder Kippbewegung
die Folge ist, welche die Verbrennungsrückstande in das Wasserbad befördert. Dies
gilt insbesondere für
kugelförmige
Schwimmkörper.
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Nachdem
die Verbrennungsrückstände die Wärmedämmschicht
passiert haben, organisieren sich die Schwimmkörper spontan zu einer geschlossenen
Schicht. Werden bei längerem
Betrieb der Wärmedämmschicht
einzelne Schwimmkörper
beschädigt
oder unbrauchbar gemacht, oder kommt es zu einem Verlust von Schwimmkörpern beim
Abtransport der Verbrennungsrückstände aus
dem Nassentschlacker, können
neue Schwimmkörper
einfach auf die Wasseroberfläche
des Nassentschlackers aufgetragen werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden mit Ausführungsbeispielen und folgenden
Figuren erläutert.
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1 zeigt
eine Verbrennungsanlage mit Drehrohrofen und Nassentschlacker aus
dem Stand der Technik.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung des Nassentschlacker-Teststandes im
Technikumsmaßstab.
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3 zeigt
einen grafischen Verlauf der Temperatur im Nassentschlacker-Teststand
gem. 2 als Funktion der Höhe über der Wasseroberfläche.
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In 1 ist
beispielhaft der Aufbau einer konventionellen Verbrennungsanlage
mit erster Verbrennungsstufe 1 und zweiter Verbrennungsstufe 2 im
Querschnitt dargestellt. Über
eine Schurre 3 werden feste Gebinde in den Brennraum der
ersten Verbrennungsstufe 1 gegeben, wo sie verbrannt werden. Die
Schlacken 4 fallen am Ende der Verbrennung durch einen
Fallschacht 5 in das Wasserbad 7 des Nassentschlackers 6.
Die aus der ersten Verbrennungsstufe 1 entweichenden heißen Rauchgase
gelangen in den Gasraum 8 der zweiten Verbrennungsstufe 2.
In der zweiten Verbrennungsstufe 2 (Nachbrennkammer) erfolgt
der Gasphasenausbrand der teilweise nur unzureichend ausgebrannten
Rauchgase mit Hilfe von Nachbrennkammerbrennern. Folglich herrscht
in diesem Gasraum 8 eine erhebliche Wärmestrahlung, welche bis zum
Wasserbad 7 des Nassentschlackers 6 ausstrahlt.
Die auf das Wasserbad 7 auftreffende Strahlung wird größtenteils
absorbiert.
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Der
in 2 dargestellte Nassentschlacker-Teststand im Technikumsmaßstab wurde
entwickelt, um die grundlegenden Vorgänge an einem Nassentschlacker 6 einer
Verbrennungsanlage zu simulieren. Dieser Teststand besteht im Wesentlichen aus
den Einzelkomponenten Strahlungsquelle 9, Wasserbad 7 und
Gasraum 8 mit Außenisolierung 11.
Die Strahlungsquelle 9 bestand aus 4 × 100 W Lichtstrahlern, die
Außenisolierung 11 aus
Mineralfasermatten/Dämmmaterial
(ca. 8 cm Dicke). Sowohl im Gasraum 8 zwischen Strahlungsquelle 9 und Wasserbad 7 als
auch im Wasser wurde ein umfangreiches Datenerfassungssystem installiert,
das mehrere Thermoelementen 10 sowie einen Wasserstandanzeiger 14 umfasst.
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Beispielhaft
wurden an diesem Teststand Temperaturmessungen und Wasserstandsmessungen
durchgeführt,
die in realistischer Weise die Temperaturverteilung am Nassentschlacker 6 einer
Verbrennungsanlage wiedergeben. Die Temperaturverteilung 17–20 wurde
in Abhängigkeit
von der Höhe über der
Wasseroberfläche 16 des
Wasserbads 7 gemessen (siehe 3), wobei
das Wasserbad 7 einerseits ohne Schwimmkörper 12 und
andererseits mit Glashohlkörpern
als Schwimmkörper 12 unterschiedlicher
Emissivität
bedeckt wurde.
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Änderungen
bei der Temperaturverteilung im Wasserbad 7 und im Gasraum 8 sowie
die Verdampfungsmenge wurden über
ein Datenerfassungssystem aufgezeichnet. Mit Hilfe einer Bilanzierung
konnten die Versuchsergebnisse untereinander verglichen und hinsichtlich
ihrer Plausibilität überprüft werden.
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In 3 sind
die gemessenen Temperaturverläufe 17–20 im
Gasraum 8 des Teststands aus 2 oberhalb
der Wasseroberfläche
mit und ohne Einsatz von Schwimmkörpern 12 dargestellt.
Die durchgeführten
Untersuchungen zeigten, dass im Vergleich zur unbedeckten Wasseroberfläche allein durch
die Verwendung von Schwimmkörpern 12 bereits
eine deutliche Erhöhung
in der mittleren Gastemperatur 15 oberhalb der Wasseroberfläche erreicht
werden kann. Durch den Einsatz von Glashohlkugeln mit 50 mm Durchmesser
ohne Beschichtung (Emissivität ε = ca. 0,94,
Temperaturverlauf 18) konnte die mittlere Gastemperatur 15 bereits
um ca. 15–20
angehoben werden. Gleichzeitig sank die Verdampfungs-/Verdunstungsmenge
um ca. 15%.
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Wird
nun der Einfluss der Emissivität
berücksichtigt,
so kann das erzielte Ergebnis noch deutlich verbessert werden. 3 zeigt
die Temperaturverläufe 17–20 im
Gasraum 8 oberhalb der Wasseroberfläche in Abhängigkeit von der Emissivität der Schwimmkörperoberfläche (Glashohlkugeln
mit 50 mm Durchmesser). Hierzu wurden Glashohlkörper verwendet, die zum einen
unbehandelt (Emissivität ε = 0,94,
Temperaturverlauf 18) oder deren Oberflächen behandelt wurden, z. B.
mattsilber lackiert (Emissivität ε = 0,45,
Temperaturverlauf 19) oder metallbedampft (Emissivität ε = 0,03,
Temperaturverlauf 20), um verschiedene Emissivitäten bei
gleichem Einsatzmaterial zu erzeugen. Es ist zu erkennen, dass mit
abnehmender Emissivität
die mittlere Gastemperatur 15 oberhalb der Wasseroberfläche zunimmt.
Die mittlere Gastemperatur 15 konnte bei den metallbedampften
Glashohlkugeln (ε =
ca. 0,03) im Vergleich zum Teststand ohne Wärmedämmschicht 13 um ca.
30–40%
angehoben werden, während gleichzeitig
die Verdampfungs-/Verdunstungsmenge um bis zu 35% abnahm.
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Bei
einer technischen Großanlage
mit Feuerraumtemperaturen von 850–1200°C ist zu erwarten, dass bereits
deutlich geringere Temperaturanstiege von ca. 10% (entspricht einem
Temperaturanstieg um ca. 100°C)
ausreichen würden,
um den Schlackeaustrag aus dem Drehrohrofen deutlich zu erleichtern.
So wurde durch die Versuche am Nassentschlacker-Teststand aus 2 ein
beachtliches Potential zur Erhöhung
der Gastemperaturen 15 aufgezeigt, um den Schlackeaustrag
zu erleichtern und die Anlageneffizienz zu erhöhen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erste
Verbrennungsstufe
- 2
- Zweite
Verbrennungsstufe
- 3
- Schurre
- 4
- Schlacke
- 5
- Fallschacht
- 6
- Nassentschlacker
- 7
- Wasserbad
- 8
- Gasraum
- 9
- Strahlungsquelle
- 10
- Thermoelemente
- 11
- Außenisolierung
- 12
- Schwimmkörper
- 13
- Wärmedämmschicht
- 14
- Wasserstandsanzeiger
- 15
- Gastemperatur
[°C]
- 16
- Höhe über der
Wasseroberfläche
[mm]
- 17
- Temperaturverlauf
im Gasraum ohne Schwimmkörper
- 18
- Temperaturverlauf
im Gasraum mit Schwimmkörper
einer Emissivität ε = 0,94
- 19
- Temperaturverlauf
im Gasraum mit Schwimmkörper
einer Emissivität ε = 0,45
- 20
- Temperaturverlauf
im Gasraum mit Schwimmkörper
einer Emissivität ε = 0,03
