DE102010022400B4

DE102010022400B4 - Verfahren und Anlage zur Absenkung des Rest-Kohlenstoffgehaltes von Asche

Info

Publication number: DE102010022400B4
Application number: DE201010022400
Authority: DE
Inventors: Dr. Anastasijevic Nikolai; Günter Schneider
Original assignee: Outotec Oyj
Current assignee: Outotec Oyj
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2030-06-02
Also published as: WO2011151294A1; DE102010022400A1; EP2576043B1; CN102917785B; PL2576043T3; EA201291250A1; US20130068138A1; EA025146B1; AU2011260345B2; AU2011260345A1; CN102917785A; CA2799063C; BR112012030456A2; EP2576043A1; US8876969B2; CA2799063A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Absenkung des Kohlenstoffgehaltes in Asche, wobei dem Asche mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 bis 20 Gew.-% in einen Reaktor eingebracht und bei Temperaturen von 700 bis 1100°C dort verbrannt wird. Während der Verbrennung wird Mikrowellenstrahlung in den Reaktor eingespeist und die bei der Verbrennung freiwerdende Energie wird wenigstens teilweise zurückgewonnen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Absenkung des Rest-Kohlenstoffgehaltes in Asche, vorzugsweise in Kohleasche, bei dem Asche mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 bis 20 Gew.-% in einen Reaktor, insbesondere einen Wirbelschichtreaktor, eingebracht und bei Temperaturen von 700 bis 1100°C, vorzugsweise 750 bis 900°C verbrannt wird.
Die bei Verbrennungen entstehenden Rückstände von organischem Material werden als Asche bezeichnet. Die Zusammensetzung von Aschepartikeln hängt stark vom Brennmaterial ab und erstreckt sich von Restkohlenstoff und Mineralien (Quarz) über metallische Verbindungen (v. a. Oxide und (Bi-)Carbonate, wie Al₂O₃, CaO, Fe₂O₃, MgO, MnO, P₂O₅, K₂O, SiO₂, Na₂CO₃, NaHCO₃) bis hin zu toxischen Stoffen, wie Schwermetallen (u. a. Arsen und Zink) und Dioxinen. Der in der Asche enthaltene Restkohlenstoff mit einem Anteil von bis zu 20 Gew.-% ist zum größten Teil in einem Kohlekern zentriert, der von metalloxidischen Verbindungen umgeben ist. Solche Aschen sind nicht für eine einfache Deponierung geeignet sondern müssen als Sondermüll deklariert werden, da sie hygroskopisch sind und so bei unsachgemäßer Deponierung die löslichen Bestandteile ausgelaugt in das Grundwasser gelangen können,. Auch als Füller in der Zementindustrie ist diese Form von Asche nicht verwendbar, weil der Restkohlenstoffgehalt die Bindeeigenschaften verschlechtert.
Die Problematik des Rest-Kohlenstoffgehaltes in Asche, insbesondere dem der in Kohlekraftwerken anfallenden Flugasche mit einer Schüttdichte von 0,9 bis 1,1 kg/l, ist ebenso bekannt wie Versuche, die den Kohlenstoffkern schützend ummantelnden Metalloxide mit Mikrowellenstrahlung zu durchdringen. So beschreibt etwa die EP 0 521 059 B1 ein Verfahren zur Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes in Flugasche. Dazu wird eine Ascheprobe in einer Messkammer gesammelt, die als Mikrowellenresonanzraum wirkt, und die Probe wird einer Mikrowellenstrahlung ausgesetzt. Durch Messungen der Absorption von Probe und Referenzmaterialien lässt sich die dielektrische Konstante des Probenmaterials bestimmen und somit durch Kalibrationskurven letztendlich auf den Rest-Kohlenstoffgehalt umrechnen.
Die US 4,705,409 beschreibt ebenfalls die Verwendung von Mikrowellenstrahlung in Verbindung mit der Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes in Flugasche. Dazu wird die Flugasche einer Mikrowellenstrahlung ausgesetzt, die sie teilweise absorbiert. Der verbleibende Rest der Strahlung wird in einem Absorptionsfluid aufgenommen. Aus der Differenz der Temperatur dieses Absorptionsfluids bei Messungen mit und ohne Ascheprobe kann man auf den Kohlenstoffgehalt rückschließen. Durch die Absorption der Mikrowellenstrahlung kann eine teilweise Reduktion des Kohlenstoffanteils in der Flugasche erfolgen, wozu jedoch eine vergleichsweise hohe Strahlungsenergie erforderlich ist.
Ein Verfahren zur thermischen Behandlung von körnigen Feststoffen, insbesondere zum Rösten von Erzen, in einem Reaktor mit Wirbelschicht, bei dem Mikrowellenstrahlung aus einer Mikrowellenquelle in den Reaktor eingespeist wird, ist beispielsweise aus der DE 102 60 745 A1 bekannt. Um die Energieausnutzung und die Einspeisung der Mikrowellenstrahlung zu verbessern, wird ein Gas oder Gasgemisch von unten durch ein zentrales Zufuhrrohr in eine Wirbelmischkammer des Reaktors eingeführt, wobei das Gaszufuhrrohr wenigstens teilweise von einer durch Zufuhr von Fluidisierungsgas fluidisierten, stationären Ringwirbelschicht umgeben wird. Die Einspeisung der Mikrowellen erfolgt durch das zentrale Gaszufuhrrohr.
Die US 2007/0045299 A1 beschreibt ein Verfahren zur Absenkung des Kohlenstoffgehaltes in Flugasche nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem Asche mit einem Kohlenstoffgehalt von bspw. 13% in einen Reaktor eingebracht und dort bei Temperaturen von 600 bis 850°C verbrannt wird. Zur Erzielung dieser Temperaturen werden Mikrowellen in den Reaktor eingebracht. Die kalzinierte Asche wird aus dem Mikrowellenreaktor abgezogen und einem Wärmetauscher zugeführt, in dem die Temperatur der kalzinierten Asche zum Aufheizen der dem Reaktor zugeführten Flugasche verwendet wird.
Die Druckschrift US 2009/0314185 A1 beschreibt die Behandlung von kohlenstoffhaltiger Flugasche mit einem ionisierten Gas oder mit Mikrowellenstrahlung. Die Behandlung von kohlenstoffhaltigen Stoffen, wie Flugasche oder dergleichen, mit Mikrowellen ist auch aus der US 200510160667 A1 , der US 7,214,254 B2 und der JP 07 02 58 34 A bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Rest-Kohlenstoffgehalt der Asche einer gezielten und nahezu vollständigen Verbrennung zuzuführen und gleichzeitig eine energetisch möglichst effiziente Verfahrensführung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen dazu sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Asche wird mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 bis 20 Gew.-% in einen Reaktor eingebracht und bei Temperaturen von 700 bis 1.100°C, vorzugsweise 750 bis 900°C, dort verbrannt, wobei während der Verbrennung Mikrowellenstrahlung in den Reaktor eingespeist und die bei der Verbrennung freiwerdende Energie wenigstens teilweise zurückgewonnen wird. Vorteilhaft ist hier vor allem die Verwendung eines Wirbelschichtreaktors, da so ein besonders hoher Anteil der Asche-Oberfläche pro Zeiteinheit von der Mikrowellenstrahlung erreicht werden kann. Durch die Bestrahlung mit Mikrowellen können die den Kohlenstoffkern umschließenden Metalloxide derart aktiviert werden, dass die Oberfläche des Kohlenstoffkerns für einen Verbrennungsprozess zugänglich wird. Durch die so ermöglichte Verbrennung wird Energie freigesetzt, die anschließend zumindest teilweise zurückgewonnen wird, wobei die Verbrennungstemperatur durch Einspeisung der entsprechenden Menge Luft oder zusätzlichen Brennstoffs bei ~800°C gehalten wird. In etwa führt jedes Prozent Gewichtsanteil des Rest-Kohlenstoffs im Verbrennungsprozess zu einer Temperaturerhöhung von 100°C. Genauer lässt sich bei verlustfreier Rechnung die Temperaturerhöhung ΔT als nicht-lineare Funktion zu dem Rest-Kohlenstoffanteil ausdrücken, wonach bei 1 Gew.-% Kohlenstoff die Temperaturerhöhung pro Gewichtsprozent Kohlenstoff bei ~290°C, bei 5 Gew.-% Kohlenstoff die Temperaturerhöhung pro Gewichtsprozent Kohlenstoff bei ~170°C und bei 10 Gew.-% Kohlenstoff die Temperaturerhöhung pro Gewichtsprozent Kohlenstoff bei ~120°C liegt. Diesen Werten liegt als erste Näherung zugrunde, dass die verbleibende Asche aus SiO₂ besteht. Zudem wird angenommen, dass die Verbrennung mit Luft bei Luftüberschuss und 1,7–1,8 Vol.-% O₂ im Abgas erfolgt. So kann die Asche nicht nur zu einem deponierbaren oder gar in der Zementindustrie verwendbaren Material umgewandelt, sondern auch der Kohlenstoffgehalt noch zur Energiegewinnung genutzt werden.
Der Rest-Kohlenstoffgehalt der verbleibenden Ascherückstände beträgt nach der Verbrennung maximal 0,1 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0,01 Gew.-%.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Asche mit einer Temperatur von mindestens 100°C, bevorzugt mindestens 120°C, besonders bevorzugt 150°C bis 300°C in den Reaktor eingetragen, da so für den Verbrennungsprozess weniger zusätzliche Energie zugeführt werden muss. Insbesondere hat es sich als günstig erwiesen, die Asche direkt nach ihrer Entstehung, die z. B. in einem Kohlekraftwerk erfolgen kann, dem erfindungsgemäßen Verfahren zu unterziehen, da die Asche so keine Möglichkeit hat, Wasser zu binden und überdies bereits eine erhöhte Temperatur aufweist.
Anderenfalls kann die Asche, die vor allem nach einer Zwischendeponierung einen Restwassergehalt von bis zu 20 Gew.-%, insbesondere von bis zu 15 Gew.%, aufweisen kann, einer dem Reaktor vorgeschalteten Trocknungseinrichtung zugeführt werden. In dieser Trocknungseinrichtung wird die Asche auf eine Temperatur von mindestens 100°C, bevorzugt mindestens 120°C, besonders bevorzugt 150°C bis 300°C vorgewärmt, wobei durch dieses Erwärmen gleichzeitig in der Asche enthaltenes Wasser verdampft. Durch eine solche Vorbehandlung ist es möglich, den Anteil der in den Reaktor einzubringenden Energie zu reduzieren.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird das bei der Trocknung anfallende Wasser als Kondensat einem Dampferzeuger zugeführt und zumindest Teile dieses Dampfes wieder als Energieträger in die Trocknungseinrichtung rückgeführt. Durch diesen Kreislauf innerhalb der Trocknungsstufe können Energieverluste minimiert werden.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Energierückgewinnung sieht vor, dass die im Reaktor freigesetzte Energie wenigstens teilweise zur Dampferzeugung genutzt wird. Beinhaltet der Prozess eine Trocknungseinrichtung, so bietet sich insbesondere an, die bei der Verbrennung freiwerdende Energie zumindest teilweise dazu zu verwenden, das bei der Trocknung anfallende Kondensat in dem Dampferzeuger zu verdampfen und den so gewonnenen Dampf wieder der Trocknungseinrichtung zuzuführen. Der Dampferzeugung können noch weitere Einheiten zur Energierückgewinnung nachgeschaltet sein.
Durch die Einbringung von zusätzlichem Brennstoff, insbesondere Kohle, in den Reaktor kann die Verbrennungstemperatur konstant in besonders begünstigten Bereich von 750 bis 900°C gehalten werden. Außerdem muss so nicht der gesamte Energieeintrag durch die Mikrowellenstrahlung erfolgen. Die Verwendung von Kohle. als Brennstoff empfiehlt sich besonders dann, wenn das erfindungsgemäße Verfahren einem Kohlekraftwerk nachgeschaltet ist und Kohle somit einfach verfügbar ist.
Um den Wärme- und Stoffaustausch zu optimieren, ist es günstig, ein Gas oder ein Gasgemisch von unten durch ein vorzugsweise zentrales Gaszufuhrrohr (bzw. Zentralrohr oder Zentraldüse) in eine Wirbelmischkammer des Reaktors einzuführen, wobei das Gaszufuhrrohr wenigstens teilweise von einer durch Zufuhr von Fluidisierungsgas fluidisierten, stationären Ringwirbelschicht der Asche umgeben wird und die Mikrowellenstrahlung durch dasselbe Gaszufuhrrohr in die Wirbelmischkammer geführt wird. Das durch das Gaszufuhrrohr eingeleitete Gas und/oder das Fluidisierungsgas enthält den für die Verbrennung benötigten Sauerstoff.
Eine erfindungsgemäße Anlage, welche insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens geeignet ist, weist einen als Wirbelschichtreaktor ausgebildeten Reaktor zur Wärmebehandlung der Asche und eine Mikrowellenquelle auf. An den Reaktor ist weiterhin ein Gaszuführungssystem angeschlossen, welches derart ausgebildet ist, dass das durch das Gaszuführungssystem strömende Gas Feststoff aus der stationären Ringwirbelschicht der Asche in eine Wirbelmischkammer des Reaktors mitreißt, wobei die durch die Mikrowellenquelle erzeugte Mikrowellenstrahlung durch das Gaszuführungssystem einspeisbar ist. Gleichzeitig mündet eine Brennstoffleitung zur Einbringung von Brennstoff in den Reaktor. Schließlich beinhaltet die Anlage auch eine dem Reaktor nachgeschaltete Einheit zur Wärmerückgewinnung.
Eine Verbesserung der Anlage ergibt sich, wenn dem Reaktor eine Trocknungseinrichtung vorgeschaltet ist, die im Kreislauf mit Dampf aus einem Dampferzeuger betrieben wird. In diesem Kreislauf wird über eine Leitung das in der Trocknungseinrichtung anfallende Kondensat in den Dampferzeuger geleitet, wo es mittels Energieeinspeisung, bevorzugt derjenigen Energie, die bei der Verbrennung im Reaktor anfällt, in Dampf umgewandelt und als solcher zurück in die Trocknungseinrichtung geleitet wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Prozessdiagramm eines Verfahrens und einer Anlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 ein Prozessdiagramm eines Verfahrens und einer Anlage gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
3 schematisch die Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anlage.
In 1 ist ein Verfahren ohne Vortrocknungsstufe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dazu wird über eine Leitung 1 trockene Asche mit einer Temperatur von bspw. 250°C und einem Massenstrom von bspw. 10 t/h einem Verbrennungsreaktor 3 zugeführt. Gleichzeitig wird über eine Leitung 2 auch Kohle als weiterer Brennstoff mit Umgebungstemperatur (bspw. 25°C) in den Reaktor 3 eingeleitet. Grundsätzlich können hier auch andere Brennstoffe verwendet werden, wie zum Beispiel Diesel, Benzin oder Gas.
Über eine Mikrowellenquelle 4 wird der Reaktor 3 mit elektromagnetischen Wellen (Mikrowellen) beschickt, wobei unterschiedliche Wellenlängen eingestellt werden können. Als Mikrowellenquellen eignen sich bspw. ein Magnetron oder ein Klystron. Ferner können Hochfrequenzgeneratoren mit entsprechenden Spulen oder Leistungstransistoren eingesetzt werden. Die Frequenzen der von der Mikrowellenquelle ausgehenden elektromagnetischen Wellen liegen üblicherweise im Bereich von 300 MHz bis 30 GHz. Vorzugsweise werden die ISM-Frequenzen 435 MHz, 915 MHz und 2,45 GHz verwendet.
Die Verbrennung in dem Reaktor 3 erfolgt bei 700 bis 1100°C, vorzugsweise 750 bis 900°C. Als Sauerstoffquelle wird über Leitungen 5 und 7 die in einem Verdichter 6 komprimierte Luft in den Reaktor 3 eingeblasen. Ist der Reaktor als Wirbelschichtreaktor ausgebildet, so kann das Sauerstoff enthaltende Gas als Fluidisierungsgas verwendet und/oder separat eingespeist werden. Die Nutzung von Luft als Sauerstoffträger ist besonders günstig, da sie ohne zusätzliche Kosten der umgebenden Atmosphäre entnommen werden kann. Grundsätzlich ist jedoch reiner Sauerstoff ebenso wie jede Sauerstoff enthaltende Gasmischung verwendbar. Auch eine Komprimierung ist nicht unbedingt notwendig.
Über Leitung 8 gelangen die bspw. 800°C heißen Verbrennungsrückstände und Gase in eine Energierückgewinnung 9. Diese Energierückgewinnung 9 kann z. B. eine Einheit zur Dampferzeugung sein, wobei der Dampf dann zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels einer Dampfturbine genutzt wird. Ist die erfindungsgemäße Anlage einem Kraftwerk nachgeschaltet, kann dieser Dampf auch dem im eigentlichen Kraftwerksbetrieb anfallenden Dampfstrom beigemischt werden.
Aus der Energierückgewinnung 9 werden die Verbrennungsrückstände und Abgase mit einer Temperatur von bspw. 250°C über eine Leitung 10 in einen Zyklon 11 überführt, in dem Asche von Abgasen getrennt wird. Zur Trennung der Feststoffe von den Abgasen sind jedoch auch andere Trenneinrichtungen, wie etwa ein Filter, möglich. Die Restasche wird über Leitung 12 aus dem Prozess abgezogen, während die Abgase über Leitung 13 aus dem Zyklon abgeleitet werden.
2 zeigt das erfindungsgemäßes Verfahren und die zugehörige Anlage mit einer vorgeschalteten Einrichtung zur Trocknung der Asche. Dazu wird über Leitung 1 die Asche mit einem Restwassergehalt von 15% in einen Trockner 21 eingetragen. Das in dem Trockner 21 anfallende Kondensat wird über eine Leitung 22 einem Dampferzeuger 23 zugeführt, von der aus es über Leitung 24 wieder als Energieträger der Trocknungsstufe 21 zugeführt werden kann. Abgase aus der Trocknungsstufe 21 werden über Leitung 25 ausgeleitet. Die getrocknete Asche wird dann über Leitung 20 mit einer Temperatur von bspw. 110°C und einem Massenstrom von bspw. 10 t/h dem Verbrennungsreaktor 3 zugeführt.
Über Leitung 2 wird gleichzeitig Kohle mit Umgebungstemperatur von 25°C als weiterer Brennstoff in den Reaktor 3 eingeleitet. Auch hier dient Luft mit einer Temperatur von bspw. 25°C als Sauerstoffquelle. Über die Mikrowellenquelle 4 wird zudem Mikrowellenstrahlung in den Reaktor 3 eingebracht, um den Kohlenstoffkern der Asche zu aktivieren und der Verbrennung zugänglich zu machen. Durch die erfindungsgemäße Verbrennung kann bei dieser wie auch bei der ersten Ausführungsform der Rest-Kohlenstoffgehalt der Asche auf bis zu 0,1 Gew.-% oder gar 0,01 Gew.-% abgesenkt werden.
Die heißen Rückstände und Abgase mit einer Temperatur von etwa 800°C werden über Leitung 8 dem Dampferzeuger 23 zugeführt, in dem das Kondensat aus der Trocknungsstufe 21 in Dampf umgewandelt wird. Aus dem Dampferzeuger 23 kann zudem bei Überschuss weiterer Dampf zur Energienutzung abgezogen werden. Dies macht es oft erforderlich, über eine nicht dargestellte Leitung zusätzlich Wasser entweder in die Dampferzeugung selbst oder die Zufuhrleitung 22 einzubringen. Grundsätzlich ist es auch möglich, nur einen Teil der durch die Verbrennung erzeugten Energie in dem Dampferzeuger 23 zu nutzen und mindestens eine weitere, nicht dargestellte Energieerzeugungsstufe nachzuschalten.
Nach der letzten Energieerzeugungsstufe, die in 2 die Dampferzeugung 23 ist, gelangt das Gas-/Feststoffgemisch zur Trennung in den Zyklon 11, wo die nun vom Kohlenstoff nahezu befreite Asche von den heißen Abgasen mit einer Temperatur von noch bspw. 250°C getrennt wird.
3 zeigt die Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anlage mit dem beanspruchten Aufbau des Reaktor 3, in dessen bspw. zylindrischen Körper ein Zentralrohr 35 so mündet, dass es sich vom Boden des Reaktors 3 aus im Wesentlichen vertikal nach oben erstreckt. Im Bereich des Bodens des Reaktors 3 ist ein nicht dargestellter Gasverteiler vorgesehen, in den eine Zufuhrleitung 32 für Fluidisierungsgas mündet. In dem vertikal oberen Bereich des Reaktors 3, der eine Wirbelmischkammer 34 bildet, ist ein Auslass 36 angeordnet, der über Leitung 8 in die Einheit zur Energierückgewinnung 9 mündet. Aus dieser Einheit 9 wird sowohl das Abgas als auch die darin enthaltenen Partikel über Leitung 10 in die hier nicht dargestellte Trenneinrichtung 11 überführt. An dem dem Reaktor 3 entgegengesetzten Ende des Zentralrohres 35 ist eine Mikrowellenquelle 4 angeordnet. Die dort erzeugten Mikrowellen-Strahlen werden über das Zentralrohr 35 in die Wirbelmischkammer 34 eingeführt.
Die Asche wird über die Feststoffleitung 1 in den Reaktor 3 eingebracht und bildet über dem Boden des Reaktors 3 eine das Zentralrohr 35 ringförmig umgebende Schicht 33 aus. Diese Ringwirbelschicht 33 wird durch das über Leitung 32 eingeleitete Gas so fluidisiert, dass sich ein stationäres Wirbelbett ausbildet. Die Geschwindigkeit der dem Reaktor 3 zugeführten Gase wird dabei vorzugsweise so eingestellt, dass die Partikel-Froude-Zahl in der Ringwirbelschicht 33 etwa zwischen 0,115 und 1,15 beträgt. Die Partikel-Froude-Zahl ist dabei definiert als:
mit

u: = effektive Geschwindigkeit der Gasströmung in m/s
ρ_s: = Dichte der Feststoffpartikel in kg/m³
ρ_f: = effektive Dichte des Fluidisierungsgases in kg/m³
d_p: = mittlerer Durchmesser der beim Reaktorbetrieb vorliegenden Partikel des Reaktorinventars (bzw. der sich bildenden Teilchen) in m
g: = Gravitationskonstante in m/s².

Das Höhenniveau der Ringwirbelschicht wird so eingestellt, dass Feststoff über die Kante des Zentralrohres 35 gelangt und so von dem durch das Zentralrohr 35 einströmenden Gas in die Wirbelmischkammer 34 mitgerissen wird. Die Geschwindigkeit des dem Reaktor 3 durch das Zentralrohr 35 zugeführten Gases wird vorzugsweise so eingestellt, dass die Partikel-Froude-Zahl in dem Zentralrohr 35 etwa zwischen 1,15 und 20 und in der Wirbelmischkammer 7 etwa zwischen 0,37 und 3,7 beträgt.
Über Leitung 2 wird zudem weiterer Brennstoff in den Reaktor 3 eingebracht. Bei flüssigem oder gasförmigem Brennstoff wird er vorzugsweise so eingedüst, dass es zu einer gleichmäßigen Verteilung über die gesamte Wirbelmischkammer 34 kommt. Liegt der Brennstoff in fester Form vor, so wird der Feststoff Bestandteil der Ringwirbelschicht 33, weshalb zur Einstellung des erforderlichen Feststoffniveaus der Ringwirbelschichtkammer 33 Brennstoff und Asche in dem gewünschten Mengenverhältnis in den Reaktor 3 eingebracht werden müssen.
Beispiel 1

Die nachfolgende Tabelle 1 gibt die durch Simulation erhaltenen Massenströme sowie Energieein- und -austrage eines Verfahrens wieder, wie es in 1 dargestellt ist. Tabelle 1

C der trockenen Asche	V (Luft)	V (Abgas)	M (Kohle)	Mikrowelle	M (Asche)	Zurückgewonnene Energie	O₂ (Abgas)
wt %	Nm³/h	Nm³/h	t/h	MW	t/h	MW	mol %
1,0	2694	2906	0,40	0,139	10,0	2,4	3,0
2,0	2666	2794	0,24	0,142	9,9	2,3	3,0
3,0	2638	2681	0,08	0,144	9,8	2,3	3,0
4,0	4275	4275	0,00	0,166	9,7	2,6	7,7
5,0	7558	7558	0,00	0,207	9,6	3,3	11,0
6,0	10841	10841	0,00	0,249	9,5	4,0	12,2
7,0	14125	14125	0,00	0,290	9,4	4,8	12,9
8,0	17408	17408	0,00	0,332	9,3	5,5	13,4
9,0	20691	20691	0,00	0,373	9,2	6,2	13,6
10,0	23974	23974	0,00	0,415	9,1	6,9	13,9

Bei der der Tabelle 1 zugrunde liegenden Simulation wird von einem Massenstrom der Asche von 10 t/h bei einer Temperatur von 250°C ausgegangen. Luft und Kohle haben beide eine Temperatur von 25°C. Die Austrittstemperatur aus dem Reaktor beträgt 800°C, die letztendliche Abgastemperatur 250°C.
Tabelle 1 korreliert den Kohlenstoffgehalt der trockenen Asche (Spalte 1) mit dem Volumenstrom der in den Reaktor eingeblasenen Luft (Spalte 2), dem Volumen des resultierenden Abgases (Spalte 3), dem eingesetzten Massenstrom des zusätzlichen Brennstoffs Kohle (Spalte 4), der in den Reaktor 3 eingespeisten Mikrowellenenergie (Spalte 5), dem eingesetzten Massenstrom der trocknen Asche (Spalte 6), der in der Energierückgewinnung gewonnenen Energie (Spalte 7) und dem Restsauerstoffgehalt im Abgas (Spalte 8).
Der Anteil der umgesetzten Luft steigt dabei genauso wie die resultierenden Abgase mit dem Anstieg des Kohlenstoffanteils in der Asche. Ab einem Kohlenstoffanteil von 4 Gew.-% ist der Kohlenstoffgehalt der Asche so hoch, dass kein weiterer Brennstoff in Form von Kohle zugeführt werden muss. Die eingesetzte Mikrowellenstrahlung spielt für die benötigte Menge an zusätzlichem Brennstoff kaum eine Rolle
Es zeigt sich, dass durch die Erfindung eine erhebliche Energiemenge nutzbar wird, die bisher mit der Asche ungenutzt verloren ging.
Beispiel 2
Beispiel 2 bezieht sich auf die Simulation eines Verfahrens, wie es in 2 dargestellt ist. In Beispiel 2 ist der Simulation ein Massenstrom der Asche von 10 t/h bei einer Temperatur von 25°C vor der Trocknung (nach der Trocknung 110°C) und einem Wassergehalt von 15 Gew.-% zugrundegelegt. Die Asche hat einen Rest-Kohlenstoffgehalt von 15 bis 25 Gew.-%. Luft und Kohle haben beide eine Temperatur von 25°C. Die Austrittstemperatur aus dem Reaktor beträgt 800°C, die letztendliche Abgastemperatur 250°C.

Tabelle 2 stellt den Kohlenstoffgehalt der trockenen Asche (Spalte 1) mit dem Volumenstrom der in den Reaktor eingeblasenen Luft (Spalte 2), dem Volumen des resultierenden Abgases (Spalte 3), dem eingesetzten Massenstrom des zusätzlichen Brennstoffs Kohle (Spalte 4), der in den Reaktor 3 eingespeisten Mikrowellenenergie (Spalte 5), dem eingesetzten Massenstrom der trocknen Asche (Spalte 6), der in der Energierückgewinnung gewonnenen Energie (Spalte 7) und dem Restsauerstoffgehalt im Abgas (Spalte 8) bei einem Verfahren mit integrierter Vortrocknung der Asche dar: Tabelle 2

C der trockenen Asche	V (Luft)	V (Abgas)	M (Kohle)	Mikrowellen	M (Asche)	Zurückgewonnene Energie	O₂ (Abgas)
wt %	(Vm³/h	Nm³/h	t/h	MW	t/h	MW	mol %
1,0	3287	3546	0,49	0,161	10,0	1,0	3,0
2,0	3261	3435	0,33	0,163	9,9	1,0	3,0
3,0	3234	3323	0,17	0,165	9,8	1,0	3,0
4,0	3208	3212	0,01	0,168	9,7	0,9	3,0
5,0	6321	6321	0,00	0,207	9,6	1,6	9,0
6,0	9603	9603	0,00	0,249	9,5	2,3	11,1
7,0	12883	12883	0,00	0,290	9,4	3,0	12,2
8,0	16163	16163	0,00	0,332	9,3	3,7	12,8
9,0	19444	19444	0,00	0,373	9,2	4,5	13,2
10,0	22725	22725	0,00	0,415	9,1	5,2	13,5

Tabelle 2 bestätigt die in Beispiel 1 gezeigten Ergebnisse, allerdings ist die rückgewonnene Energie absolut gesehen niedriger als in Beispiel 1, da Teile der Energie zur Verdampfung des Kondensats in der Trocknungsstufe verwendet werden. Auf Grund des höheren Energiebedarfs bei gleichzeitig niedriger Eintrittstemperatur der Asche (Beispiel 1: 250°C, Beispiel 2: 110°C) muss außerdem erst ab einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 5 Gew.-% kein weiterer Brennstoff in Form von Kohle zugeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: Leitung
2: Leitung
3: Reaktor
4: Mikrowellenquelle
5: Leitung
6: Verdichter
7: Leitung
8: Leitung
9: Einheit zur Energierückgewinnung
10: Leitung
11: Zyklon
12: Leitung
13: Leitung
20: Leitung
21: Vortrocknung
22: Leitung
23: Dampferzeuger
24: Leitung
25: Leitung
31: Leitung
32: Leitung
33: Ringwirbelschicht
34: Wirbelmischkammer
35: Zentralrohr
36: Auslass

Claims

Verfahren zur Absenkung des Kohlenstoffgehaltes in Asche, bei dem Asche mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 bis 20 Gew.-% in einen Reaktor eingebracht und bei Temperaturen von 700 bis 1100°C dort verbrannt wird, wobei während der Verbrennung Mikrowellenstrahlung in den Reaktor eingespeist wird und die bei der Verbrennung freiwerdende Energie wenigstens teilweise zurückgewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Brennstoff, insbesondere Kohle, in den Reaktor eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rest-Kohlenstoffgehalt der Asche nach der Verbrennung maximal 0,1 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Asche mit einer Temperatur von mind. 100°C in den Reaktor eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Asche mit einem Restwassergehalt von bis zu 20 Gew.-% einer dem Reaktor vorgeschalteten Trocknungseinrichtung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Trocknung anfallende Wasser als Kondensat einem Dampferzeuger zugeführt wird und der in dem Dampferzeuger gewonnene Dampf wenigstens teilweise als Energieträger wieder der Trocknungseinrichtung zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Reaktor freigesetzte Energie wenigstens teilweise zur Dampferzeugung genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gas oder ein Gasgemisch von unten durch mindestens ein Gaszufuhrrohr in eine Wirbelmischkammer des Reaktors eingeführt wird, wobei das Gaszufuhrrohr wenigstens teilweise von einer stationären aus durch Zufuhr von Fiuidisierungsgas fluidisierter Asche bestehender Ringwirbelschicht umgeben wird, und dass die Mikrowellenstrahlung der Wirbelmischkammer durch das Gaszufuhrrohr zugeführt wird.
Anlage zur Absenkung des Kohlenstoffgehaltes in Asche mit einem Reaktor mit Wirbelschicht, wobei der Reaktor (3) ein Gaszuführungssystem aufweist, welches derart ausgebildet ist, dass durch das Gaszuführungssystem strömendes Gas Asche aus einer stationären Ringwirbelschicht (33), die das Gaszuführungssystem wenigstens teilweise umgibt, in eine Wirbelmischkammer (34) mitreißt, mit einer Mikrowellenquelle (4) zur Einspeisung von Mikrowellenstrahlung in den Reaktor durch das Gaszuführungssystem, mit einer Brennstoffleitung (2) zur Einspeisung von Brennstoff in den Reaktor (3) und einer dem Reaktor nachgeschalteten Einheit zur Energiegewinnung (9).
Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktor (3) eine Trocknungseinrichtung (21) vorgeschaltet ist, die im Kreislauf mit Dampf aus einem Dampferzeuger (23) betrieben wird.