DE19501504C1 - Verfahren zur Verbrennung von Stoffen in einer Wirbelschicht - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbrennung von Stoffen in einer Wir­ belschicht und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Grundsätzlich ist es bereits bekannt, mittels einer stationären Wirbelschicht, Stoffe zu verbrennen, wobei erreicht wird, daß Schadstoffe durch Zugabe von Kalkstein in die Wir­ belschicht eingebunden werden. Außerdem sind durch die niedrigen Verbrennungstempera­ turen niedrige NOx-Emissionen erzielbar. Ein weiterer Vorteil der Verbrennung in einer Wirbelschicht ist die Möglichkeit, auch brennwertarme Stoffe relativ schadstofffrei zu verbrennen.

Durch die in der EP 0 302 849 offenbarten Vorrichtung ist es bereits bekannt geworden, zusätzlich durch die Verlängerung der Verweilzeit der zu verbrennenden Teilchen, im Wirbelbett die Verbrennung zu verbessern. Es ist hier jedoch nicht zu vermeiden, daß ein Teil der unverbrannten Teilchen nach oben entweicht.

Auch in der DE 30 03 245 A1 ist ein Wirbelschicht-Verfahren beschrieben, bei dem zwar durch Sekundärluft eine Nachverbrennung erfolgt, unverbrannte Teilchen jedoch aus dem Brennraum nach oben entweichen können.

Bisher bekannte Verfahren weisen jedoch den Nachteil auf, daß der Kohlenstoffanteil der brennbaren Stoffe letztlich noch nicht in einem Maße verbrannt wird, wie es an sich wün­ schenswert wäre. Um diesen Nachteil zu beseitigen ist es bisher erforderlich, aufwendige Ascheumlaufverfahren einzusetzen. Nachteilig ist es jedoch auch hier, daß derartige Anlagen stets nur auf eine sehr kleine Bandbreite von zu verbrennenden Stoffen angestimmt werden können und daß es, sofern andere Stoffe verbrannt werden sollen, in der Regel zu Schwie­ rigkeiten kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und eine kostengünstige Anlage zu schaffen, die einen guten Feuerungswirkungsgrad aufweist und sehr universell zur Verbrennung von Stoffen aller Art geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, daß im Bereich der Wirbelschicht eine Vergasungsglocke angeordnet ist und daß aus der Vergasungsglocke Gas in die Wirbelschicht eingeleitet und dort verbrannt wird, läßt sich erreichen, daß die zu verbrennenden Stoffe vorrangig vergast werden und daß im Grunde erst danach die Verbrennung in der Wirbelschicht einsetzt. Die noch nicht vergasten Fest­ stoffe verbleiben dabei bis zu ihrer Vergasung im wesentlichen in der Vergasungsglocke. Nur ein kleiner Teil der Feststoffe tritt überhaupt aus der Vergasungsglocke aus und in die umge­ bende Wirbelschicht ein. Letztlich ergibt sich bereits hieraus, daß bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren die Feststoffe stets mit einem sehr guten Feuerungswirkungsgrad ver­ brannt werden können, ohne daß z. B. ein aufwendiges Umlaufverfahren erforderlich ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird aus der offenen Unterseite der Vergasungsglocke ein Primärgasstrom in die Wirbelschicht eingeleitet und seitlich ein Sekundärgasstrom für eine Nachverbrennung unverbrannter gasförmiger oder/und fester Bestandteile ausgeleitet. Hierdurch wird neben einer besseren Durchmischung eine stufen­ förmige NOx-arme Verbrennung erreicht.

Die Anzahl der Verbrennungsstufen läßt sich steigern, indem der Sekundärgasstrom aus mehreren in Strömungsrichtung des Rauchgases hintereinander angeordneten seitlichen Auslaßöffnungen aus der Vergasungsglocke austritt.

Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorgesehen, daß der Sekundärgasstrom wahlweise direkt in die Wirbelschicht eingeleitet wird. Hierdurch wird in der Wirbelschicht eine Quer­ strömung erzeugt, die die Verbrennung intensiviert, indem eine bessere Durchmischung des Gases mit der Luft erzielt wird. Durch die Einleitung in die Wirbelschicht wird im übrigen eine verbesserte Einbindung der Schadstoffe in die Reaktionskomponenten der Wirbelschicht erzielt. Insbesondere werden in diesem Fall auch die im Sekundärgas enthaltenen Schadstoffe in die Wirbelschicht eingebunden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es auch möglich, den Sekundär­ gasstrom oberhalb der Wirbelschicht in den Rauchgasstrom einzuleiten. Hierdurch ist es möglich, die Freiraumtemperatur auf dem für eine gute Verbrennung erforderlichen Niveau zu halten. Im übrigen erreicht man eine hervorragende zusätzliche Verwirbelung des Rauchgasstromes und intensiviert hierdurch die Nachverbrennung.

Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorgesehen, daß der aus der Vergasungsglocke austretende Sekundärgasstrom in eine Brennkammer eingeleitet werden kann, der außerdem Luft zu­ geführt wird, wobei in der Brennkammer Heizflächen angeordnet sind, die der Ableitung von Wärme in ein Heizsystem dienen, wobei die entstehenden Verbrennungsgase in die Wirbel­ schicht oder/und in den Rauchgasstrom abgeleitet werden. Hier ist durch eine gesteuerte Luftzufuhr jederzeit eine schnelle Leistungsregelung des Heizkessels möglich. Die entste­ henden Verbrennungsgase werden gegebenenfalls in der Wirbelschicht gereinigt.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß es zudem möglich ist, der Vergasungsglocke zusätzlich Gas für eine weitere Nutzung zu entnehmen. Das Gas kann z. B. einem Gasspeicher zugeführt werden, aus dem es bei Bedarf abgefordert werden kann.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1, einen Querschnitt durch eine Brennkammer mit einer Vergasungsglocke, aus der ein Primärgasstrom und ein Sekundärgasstrom austritt;

Fig. 2, einen Querschnitt durch eine Brennkammer mit einer Vergasungsglocke, die zu­ sätzlich eine innere Brennkammer aufweist.

In der Fig. 1 der Zeichnung ist mit 1 eine Brennkammer bezeichnet, bei der von Kessel­ wandungen 2 umgeben eine Vergasungsglocke 3 mit Außenwandungen 4 angeordnet ist. Die Vergasungsglocke 3 ist in der Brennkammer 1 im Bereich einer Wirbelschicht 5 angeordnet. Unterhalb der Vergasungsglocke 3 und der Wirbelschicht ist ein Düsenboden 6 angeordnet. Der Düsenboden 6 ist von Luftzuführungsrohren 7 gebildet, von denen Luftaustrittsdüsen 8 abzweigen. Zwischen den Luftzuführungsrohren 7 befinden sich Öffnungen 9 für den Abfluß der bei der Verbrennung anfallenden Asche. Für den Austritt der Asche ist ein gekühlter Ascheabzug 10 in der Kesselwandung 2 vorgesehen.

In die Vergasungsglocke 3 mündet eine Düse 11 einer Leitung 12 für die Zuführung der zu vergasenden und zu verbrennenden Stoffe ein. Außerdem sind in die Vergasungsglocke 3 Luftaustrittsdüsen 13 geführt. Die Vergasungsglocke 3 weist an ihrer Unterseite eine sich über ihren Durchmesser erstreckende Öffnung 14 auf, aus der auch das Primärgas austritt. Außerdem sind in den Außenwandungen 4 der Vergasungsglocke 3 Austrittsöffnungen 15 für den Sekundärgasstrom vorgesehen. Im übrigen schließt sich an die abgebildete Brennkammer 1 im oberen Bereich ein in der Zeichnung nicht dargestellter Kessel mit seinen Nebenein­ richtungen an. Unterhalb des Ascheabzugs 10 der Brennkammer 1 schließt sich ein Aschekühler mit seinen Abfördereinrichtungen an.

Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist seitlich der Vergasungsglocke 3 eine innere Brennkammer 16 angeordnet. In den oberen Bereich der Brennkammer 16 münden Gasbrenner 17 ein. In den Gasbrenner 17 tritt aus der Vergasungsglocke 3 Gas ein. Außerdem ist an die Gasbrenner 17 eine Leitung 18 geführt, über die Luft zugeführt wird. In der Brennkammer 16 sind unterhalb der Gasbrenner 17 Heizflächen 19 angeordnet. Eine Wandung 20 der Brennkammer 16 erstreckt sich nach unten in den Bereich der Wirbel­ schicht 5 hinein. Die innere Brennkammer 16 der Vergasungsglocke 3 weist außerdem an ihrer Unterseite eine Austrittsöffnung 21 für die in der inneren Brennkammer 16 entste­ henden Verbrennungsgase auf.

Bei der in der Fig. 1 dargestellten Brennkammer 1 wird nach dem Aufheizen der Wirbel­ schicht 5 mittels einer in der Zeichnung nicht dargestellten Stützheizung auf ca. 850°C der zu verbrennende Stoff über die Leitung 12 und die Düse 11 in die Vergasungsglocke 3 ge­ bracht und tritt dort aus. Gleichzeitig wird über die Luftzuführungsrohre 7 und deren Luftaustrittsdüsen 8 der Vergasungsglocke 3 und der Wirbelschicht 5 die für die Vergasung und Verbrennung sowie für die Fluidisierung erforderliche Luft zugeführt. In der Ver­ gasungsglocke 3 vergast der zugeführte Stoff bei einer Temperatur zwischen 850°C und 900°C. Diese Temperatur wird in der Vergasungsglocke 3 durch Wärmeabgabe an Heizflä­ chen, die beispielsweise an den Außenwandungen 4 angeordnet sind, gesteuert. Dieses ge­ schieht aber ggf. auch durch ein gesteuertes Ein- und Austauchen der Außenwandungen 4 der Vergasungsglocke 3 in die Wirbelschicht 5. Grundsätzlich muß beachtet werden, daß die Temperatur innerhalb der Vergasungsglocke 3 unter der Schmelztemperatur der aus den vergasenden Stoffen austretenden Asche liegt.

Das in der Vergasungsglocke 3 entstehende Gas tritt zu einem überwiegenden Anteil als Primärgasstrom über die Öffnung 14 an der Unterseite der Vergasungsglocke 3 in die Wir­ belschicht 5 über und verbrennt dort. Die bei der Verbrennung entstehenden Schadgase werden dabei durch die Kalksteinzugabe in der Wirbelschicht 5 eingebunden. Durch eine zu­ sätzliche Sekundärgaszuführung über die Austrittsöffnungen 15 in den Außenwandungen 4 der Vergasungsglocke wird erreicht, daß unverbrannte Bestandteile des Primärgases in einer Nachverbrennungszone verbrannt werden. Dies geschieht insbesondere durch eine Querverwirbelung der Wirbelschicht 5 durch die Einleitung des Sekundärgasstromes. Im übrigen gelangt der aus der Brennkammer 1 austretende Rauchgasstrom anschließend in den Bereich des in der Zeichnung nicht dargestellten nachgeschalteten Kessels und gibt dort Wärme an andere Heizflächen ab. Eine Wärmeabgabe an das Dampfwassersystem des Kessels erfolgt im übrigen auch bereits über die Kesselwandungen 2, die in an sich bekannter Weise als Membranwandungen ausgebildet sind.

Grundsätzlich wird darauf hingewiesen werden, daß die Brennkammer 1 durchaus auch dann funktionsfähig ist, wenn Austrittsöffnungen 5 für einen Sekundärgasstrom in den Außen­ wandungen 4 der Vergasungsglocke 3 geschlossen bzw. gar nicht vorhanden sind. Die Ein­ leitung eines Sekundärgasstromes zusätzlich zu der Einleitung des Primärgasstromes ist letztlich abhängig von den Eigenschaften der zugeführten, zu verbrennenden Stoffe.

Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel tritt zusätzlich zu dem Primär­ gasstrom an der Unterseite der Vergasungsglocke 3 ein Gasstrom aus der Vergasungsglocke 3 in die Gasbrenner 17 ein. Gleichzeitig wird über die Leitungen 18 Luft zugeführt, so daß sich der Gasstrom unter hoher Wärmeentwickelung entzündet. Dieser gelangt dann in die innere Brennkammer 16, wo er an Heizflächen 19 entlanggeführt wird. Über die Heizflächen 19 wird Wärme abgeführt, die in das sich anschließende Kesselsystem gelangt. Durch eine Regelung der Luftzufuhr über die Leitung 18 ist es möglich, die Heizleistung des Kesselsy­ stems schnell zu verändern. Aufgrund nach unten geführten Ausbildung der inneren Brenn­ kammer 16 treten die Verbrennungsgase anschließend über die Austrittsöffnung 21 an der Unterseite der inneren Brennkammer 16 direkt in die Wirbelschicht 5 ein. Hierdurch wird erreicht, daß enthaltene Schadgase durch die Kalksteinzugabe in der Wirbelschicht 5 ein­ gebunden werden. Im übrigen entspricht der Ablauf der anderen Vergasungs- bzw. Ver­ brennungsvorgänge den Ablaufen in der in Fig. 1 dargestellten Brennkammer 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere auch geeignet, bekannte Verfahren zur Verbrennung von Stoffen zu ergänzen. Insbesondere können so hohe Investitionskosten für zusätzliche Techniken, wie Katalysatoren, HOK-Filter, Rauchgaswäsche, Sprühabsorber o. ä., eingespart werden. Aufgrund des relativ kleinen Anlagenumfanges ergeben sich zusätz­ liche finanzielle Vorteile im Bereich der Betriebs- und Instandhaltungskosten. Es handelt sich um eine preiswerte technische Lösung zur energetischen Verwertung von Stoffen, die dem Kreislaufwirtschaftsgesetz voll Rechnung trägt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Verbrennung von Stoffen in einer Wirbelschicht (5), dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Bereich der Wirbelschicht (5) eine Vergasungsglocke (3) angeordnet ist, in der die Stoffe zunächst ganz oder teilweise vergast werden, und daß aus der Vergasungs­ glocke (3) Gas in die Wirbelschicht (5) eingeleitet und dort verbrannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Unterseite der Ver­ gasungsglocke (3) ein Primärgasstrom in die Wirbelschicht (5) eingeleitet wird und daß seitlich ein Sekundärgasstrom für eine Nachverbrennung unverbrannter gasförmiger oder/und fester Bestandteile austritt, wobei die Einleitung des Sekundärgasstromes in Strömungsrichtung des Rauchgases hinter der Einleitung des Primärgasstromes erfolgt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Sekun­ därgasstrom in die Wirbelschicht (5) eingeleitet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärgas­ strom oberhalb der Wirbelschicht (5) in den Rauchgasstrom eingeleitet wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Ver­ gasungsglocke (3) austretende Sekundärgasstrom in eine Brennkammer (16) eingeleitet wird, der außerdem Luft zugeführt wird, daß in der Brennkammer (16) Heizflächen (19) angeordnet sind, die der Ableitung von Wärme in ein Heizsystem dienen und daß die ent­ stehenden Verbrennungsgase in die Wirbelschicht (5) oder/und in den Rauchgasstrom ein­ geleitet werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Vergasungsglocke (3) zusätzlich Gas für eine weitere Nutzung entnommen wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, nach mindestens einem der vorherge­ henden Ansprüche, mit einer Brennkammer, in der Stoffe in einer Wirbelschicht verbrannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammer (1) im Bereich der Wirbel­ schicht (5) eine Vergasungsglocke (3) angeordnet ist, in der die Stoffe zunächst ganz oder teilweise vergast werden, und daß aus wenigstens einer Öffnung (14) der Vergasungsglocke (3) Gas in die Wirbelschicht (5) eingeleitet und dort verbrannt wird.