DE2945544A1

DE2945544A1 - Verbrennungsofen in form eines wirbelschichtreaktors

Info

Publication number: DE2945544A1
Application number: DE19792945544
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Aoki; Minoru Asai; Shoichi Tsuji
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1978-11-11
Filing date: 1979-11-10
Publication date: 1980-05-14
Also published as: JPS5843644B2; DE2945544C2; JPS5565808A; US4321233A; GB2034448A; AU524211B2; AU5269679A; GB2034448B

Description

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KES5LEKPLAT7 f

Ishikav/ajima-Harima 1 3 977 CO/Vo

Jukogyo K.K.
Tokio/Japan

Verbrennungsofen in Form eines Wirbelschichtreaktors

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsofen in Form eines Wirbelschichtreaktors.

Es sind in letzter Zeit Kesselöfen entwickelt worden, welche Kohle in einem Fließbett- oder Wirbelschicht-Verbrennungr-svstem verbrennen, jedoch sind bei diesen Öfen die Emission an Stickoxiden NO, _r und an Schwefeloxiden SO vergleichsweise hoch. Zur Abschwächuncr dieses Nachteils ist ein System entwickelt worden, bei dem Kalksteinpartikel als Bettmaterial oder Wirbelschichtmaterial verwendet werden, so daß NO und SO d^rch Kalziumverbindun-

X X

gen entfernt werden, die Schwefeloxide absorbieren und als Katalysator für die Reduktion von NO dienen können.

Kesselöfen mit einem einzigen Fließbett aus Kalksteinpartikeln sind in der Praxis eingesetzt worden, haben sich jedoch mit Rücksicht auf die höheren Immissionskontrollvorschriften nicht als zufriedenstellend erwiesen.

Der Hauptgrund dafür liegt darin, daß zwar die Entfernung von Stickoxiden NO außerordentlich wirksam in der reduzie-

renden Atmosphäre vorgenommen werden kann, jedoch zur Entfernung von Schwefeloxiden SO in einer oxidierenden Atmosphäre nur ein einziges Fließbett verwendet wird, welches sowohl die Entschwefelung als auch die Denitrie-

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fizieruna übernehmen muß.

Zur Lösuna dieses Problems ist orfindunas^emäß der Verbrennungsofen oder Reaktor in eine untere Denitrifizierunaszone oder eine obere Entschvefelungszone unterteilt, wobei die entsprechenden Wirbelschichten aus Kalkstein— partikeln cebildet sind. Da die untere und obere Zone jeweils unabhängig voneinander optimal betrieben werden können, ergibt sich eine v/irksame Denitrifizierung und Entschwefelung in einem solchen Ausmaß, wie es bislang unbekannt und mit einem einzelnen Fließbett oder einer einzelnen Wirbelschicht auch nicht erreichbar ist.

Um eine zufriedenstellende Denitrifizierung und Entschwefelunq zu erhalten, und um eine Produktion von thermalem NO im Verbrennungsofen oder Real tor mit einem mehrstufii7en Wirhel°-chichtsvstem der erläuterten Art zu hindern, müs<:nn die Pol senden Goricht^runVto beachtet ".'/erden:

1. Die Verbrennunqsluft muß derart in die Verbrennunaszone einnene^eii werden, daß die untere v/irbelschicht eine reduzierende Atmosphäre, die obe^e 'wirbelschicht hinaegen eine oxidierende Atmosphäre besitzt.

2. Kalziumverbindungen wie CaO, CaSO , CaSO. und del., die bei der Denitrifizierung als Fatalvsatoren wirken, müssen sicher oder zwanaweise von der oberen Entschwefelungszone aus der unteren Denitrifizierungszone zugeführt werden.

3. Alle reduzierenden Gase, die in der unteren Denitrifizierungszone gebildet werden, müssen durch die obere Entschwefelungszono geleitet und mit Sekundärluft verbrannt werden, so daß unverbrannte Brennstoffanteile nachverbrannt werden.

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4. Eine Produktion von t hermischem W \_r in dor oberen Kntschvefelu!V^czonc muH ?o^voil. ο~1~ Ίr'T^ndm'i.-'lich unterdrückt werden.

Mit der Erfi muin^ "^-ird insoesamt ein Vprlvrennnn-^uife^v' odf-r Realtor mit einem mphrrtuf igen ',.M.r'¹ olsch i.chts^stem neschaf- fen, der die obinen Aspel'te in ihrer Gesamtheit zufriedenstellend berücV ^c-ichtiat.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von /\usführungsformen anhand der Zeichnung, insbesondere in Verbinduna mit den Ansprüchen.

Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einer erfindungsaemäßen Verbrennungsofen oder Reaktor,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine er^te Ausführunasform einer erfin dünnsgemäßen Trennvorrichtung für den Ofen oder Reaktor nem'-iß Fir. 1,

Firr. 3 einen Schnitt ^emäß Linif A-A in Fir;. '^},

Fig. 4 eine grafische Darstellung zur Erläuterung df-r Bi trieinweise der Trennvorrichtuno oemäß den Fier. ? und 3,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine andere Aus führung s. f orm der erfindunasgemäßen Trennvorrichtung und

Fig. 6 einen Schnitt gemäß Linie B-B in Fig. 5.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist ein Verbrennungsofen durch eine Trennvorrichtung 12 in einen oberen und einen

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unteren Abschnitt unterteilt. Kohle C wird als Brennstoff einem unteren oder primären Fließbett 11 zugeführt, während Kalkstein S einem oberen oder sekundären Fließbett 13 zugeführt wird. Verbrennungsluft v/ird d<^m oberen und unteren Fließbett 13 bzw. 11 unabhängig oder getrennt zugeführt. Rezirkulierte Abcase verden lediglich dem oberen Fließbett 13 zugeführt. Kaliumverbindungen wird es ermöglicht, von der Trennvorrichtung 12 in das untere Fließbett 11 zu fallen. Im unteren Fließbett 11 erfolgt eine unvollständige Verbrennung von Kohle, wobei die resultierenden Kohlenmonoxide CO und S tickstoffmonoxide NO einer Kontaktreduktion unterzogen werden, wobei die vom oberen Fließbett 13 aus nach unten fallenden Kalziumverbindungen als Katalysatoren genutzt werden. Sekundärluft wird von der Außenseite her in das obere Fließbett 13 eingeführt, in den Feststoffpartikel aus Kalkstein fluidisiert sind, um unverbrannte, SO₀ enthaltende Gase aus dem unteren Fließbett 11 zu verbrennen und dabei die Entschwefelung durchzuführen. Gleichzeitig werden rezirkulierte Abgase eingeführt, um die Temperatur des oberen Fließbettes 13 zu steuern und so eine Erzeugung von NO während der Sekundärverbrennung zu verhindern.

Wie die Zeichnung im einzelnen veranschaulicht, weist der Verbrennungsofen 3 einen Windlcasten 9, einen plattenförmigen Verteiler 10, das untere oder primäre Fließbett 11, die Trennvorrichtung 12, das obere oder sekundäre Fließbett 13 und einen Freibord 14 auf. Wärmeübertragungsschlangen 15 sind in das untere Fließbett 11, das obere Fließbett 13 und den Freibord 14 eingesetzt.

Kohle C wird durch eine rohrförmige Zuführleitung 16 in das untere Fließbett 11 auf dem Gasverteiler 10 eingeführt. Kalksteinpartikel S werden durch eine rohrfürmige Zuführleitung 17 in das obere Fließbett 13 eingeführt.

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— ν —

Die beiden Wirbelschichten oder Fließbette 11 und 13 sind voneinander durch eine Trennvorrichtung 1? getrennt, die in den Fig. 2 und 3 naher veranschaulicht ist. Die Trennvorrichtung 12 weist eine Trennplatte °3 mit einer Mehrzahl von Gasverteileröffnunaen ?4 auf, in denen ?oaxiale Gardüsen 25 angeordnet sind. Die Gas düsen P^r in jeder Reihe oder Säule stehen untereinander über eine rohrförmige Förderleitung 26 mit einem Vorlagedruckraum ?7 in Verbindung, der wiederum mit einem Abgas-Aufladegeblase 19 und einem Hauptgebläse ?0 (vgl. Fig. 1) über ein motorgetriebenes Steuerorgan 13 wie einen Drehschieber in Verbindung steht. Daher werden sowohl Abgase G (vgl. Fig. ?.) als auch Sekundärluft E über die Gasdüsen PS in das obere Fließbett hineingedrückt. Durch Steuerung der Stromungsgeschwindig-Veiten der Abgase G und der Sekundärluft E können Bedingungen eingestellt werden, unter denen die fluidisie.rten Partikel M ini oberen Fließbett 13 in dan untere Fließbett hinabfallen. Im einzelnen sind hierzu die unterschiedlichen konstruktiven Auslegungen so betroffen, daß die Geschwindigkeit U der aus den Verteileröffnungen 24 strömenden Gase durch entsprechende Beschleunigung auf einen höheren Wert gebracht wird als die Endgeschwindigkeit U der fluidisierten Partikel M, und daß dann, wenn das motorisch angetriebene Steuerorgan 18 geschlossen wird, die Geschwindigkeit U kleiner wird als die Geschwindigkeit U.. Dann kann die Geschwindigkeit U pulsierend oder alternierend in der aus Fig. 4 ersichtlichen Weise geändert werden, so daß sich intermittierend ein Zustand ergibt, bei dem U kleiner ist als U und fluidisierte Partikel M in das untere Fließbett 11 hinabfallen können.

Verbrennungsluft wird auch vom Hauptgebläse ?0 aus dem Windkasten } unterhalb des unteren Fließbettes 11 zugeführt und durch den Gasverteiler 10 verteilt eingeführt, so daß die Verbrennung der Kohle C im unteren Fließbett 11 erleichtert

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wird und die Fluidisierung der Feststoffpartikel intensiviert wird. Abgase aus dem Reaktor oder Verbrennungsofen 8 werden durch einen Fliehkraftabscheider oder Zyklon 21 hindurch ausgetragen, und ein Teil aus dem Zyklon 21 austretender Abgase wird dem Abgas-Aufladegebläse 19 zugeführt, welches die Abgase durch das Steuerorgan 18 in der erläuterten Weise der Trennvorrichtung 12 zuführt.

Das obere Ende einer Austragleitung 2? (vgl. Fig. 1) ist am Gasverteiler 10 in der Weise angeschlossen, daß die Partikel M aus dem Reaktor oder Verbrennungsofen 8 heraus ausgetragen werden können.

Im Betrieb werden zunächst Kalksteinpartikel den beiden Wirbelschichten oder Fließbetten 11 und 13 zugeführt. Verbrennungsluft wird vom Hauptgebläse 20 aus zugeführt und gleichförmig über den Gasverteiler 10 in das untere Fließbett 11 eingeführt, wodurch die primäre Wirbelschicht oder das primäre Fließbett gebildet wird. Sodann wird ein Zündbrenner 28 (vgl. Fig. 1) gezündet, so daß die Temperatur des Fließbettes 11 über die Entzündungstemperatur der Kohle C angehoben wird. Wenn sodann Kohlepartikel C durch die Zuführleitung 16 dem unteren Fließbett 11 zugeführt werden, so erfolgt deren Verbrennung. Wenn die Verbrennungsluftzufuhr unterhalb der stöchiometrisch erforderlichen Luftmenge bleibt, so werden reduzierende Gase, die CO enthalten, im unteren Fließbett 11 erzeugt, so daß im unteren Fließbett 11 erzeugtes NO durch eine Kontaktreduktionsreaktion mit CO, mit CaO und zum Teil CaSO., als Katalysatoren wirkend, entfernt wird.

Von NO freie Abgase strömen vom unteren Fließbett 11 in das obere Fließbett 13 durch die Gasverteileröffnungen 24 der Trennvorrichtung 12. Wie bereits erläutert, wird Verbrennungsluft dem oberen Fließbett 13 vom Hauptgebläse 20

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aus über das Steuerorgan 18, den Vorlagedruckraum 27, die Verteilerrohre 26 und die Düsen 23 zugeführt, so daß die in den Abgasen aus dem unteren Fließbett 11 enthaltenen unverbrannten Gase vollständig verbrannt werden, während sie durch das obere Fließbett 13 und den Freibord 14 treten. SO₉ und S0„, die erzeugt werden und im oberen Fließbett verbleiben, reagieren mit den fluidisierten Partikeln M des Kalksteines S und werden in CaSO und CaSO überführt, die im oberen Fließbett 13 als Wirbelschichtpartikel M zusammen mit CaO bleiben, welches keiner Reaktion unterzogen wurde.

Die fluidisierten Wirbelschichtpartikel M fallen in der erläuterten Weise in das untere Fließbett 11 und werden damit zu Wirbelschichtpartikeln M des unteren Fließbetten Die Wirbelschichtpartikel M des unteren Fließbettes 11 werden durch die Schütte oder Austragleitung 22 aus dem Reaktor oder Verbrennungsofen 8 ausgetragen. Auf diese Weir.e können sowohl das obere Fließbett 13 als auch das untere Fließbett 11 stets in einer vorbestimmten Wirbelschichthöhe gehalten werden.

Von NO und SO freie Abgase strömen in den Zyklon 21, in dem unverbrannte Partikel und Asche abgeschieden werden, so daß saubere Abgase in die UmgebungsatmosphHre ausgetragen werden können. Ein Teil der Abgase wird durch das Abgas-Aufladegebläse 19 in den Verbrennungsofen 8 wieder zurückgeführt, wie dies bereits erläutert wurde, um das gesteuerte Hinabfallen der fluidisierten Partikel M des oberen Fließbettes 13 in das untere Fließbett 11 zu bewirken, wie dies im einzelnen bereits erläutert wurde, und um eine Erzeugung von thermischem NO im oberen Fließbett 1 3 zu unterdrücken. Die vorstehend erläuterten Arbeitsschritte werden zyklisch wiederholt, so daß sich insgesamt eine sehr wirksame Entschwefelung und Denitrifizierung ergeben.

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Eine andere Ausführungsform der Trennvorrichtung 12 ist in den Fig. 5 und 6 veranschaulicht und dient dazu, die fluidisierten Partikel M des oberen Fließbettes 13 nicht nur durch Schwerkraft bewirkt und durch eine aufwärtsgerichtete Gegenkraft variabel gesteuert nach unten fallen zu lassen, sondern die Partikel M zv/angweise nach unten zu fördern. Hierzu ist eine Trennplatte 29 mit Reihen von Abgas-Verteileröffnungen 30 versehen. In einigen der Verteileröffnungen 30 (bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 und 6 nur in einer) ist eine Injektionsdüse 32 vorgesehen, welche Luft oder rezirkulierte Abgase H injiziert und dabei nach unten gerichtet ist sowie mit einem motorisch angetriebenen Steuerorgan 31 verbunden ist, so daß Luft oder rezirkulierte Abgase intermittierend oder periodisch injiziert werden können. Eine Mehrzahl von rohrförmigen Zuführleitung! 33 erstreckt ^ich durch die Trennptette 29 und steht je mit einer Reihe von Düsen 34 in Verbindung, die gegenüber den Verteileröffnungen 30 versetzt angeordnet sind, so daß die Sekundärluft E und die rezirkulierten Abgase H in das obere Fließbett 13 ausgetragen werden können.

Im Betrieb werden die Luft oder die rezirkulierten Abgase H intermittierend oder periodisch durch die Düse 32 injiniert, so daß die Fließbettpartikel M in der Nachbarschaft der Verteileröffnung 30 unter Zwang in Richtung auf das untere Fließbett 11 gefördert werden.

Mit der Trennvorrichtung 12 gemäß den Fig. 2 und 3 oder den Fig. 5 und 6 können nicht nur Abgase aus dem unteren Fließbett 11 in das obere Fließbett 13 durch die Verteileröffnungen 24 oder 30 eingelassen werden, sondern können auch die Fließbettpartikel M des oberen Fließbettes 13 in das untere Fließbett 11 durch dieselben Öffnungen hindurch gelangen, wenn Luft und/oder rezirkulierte Abgase intermittierend oder periodisch durch die Öffnungen strömen.

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Da die Trennvorrichtung 12 mit einer Mehrzahl von Düsen oder 34 versehen ist, durch welche hindurch Verbrennungsluft und/oder rezirkulierte Abgase austreten können, kann die Trennvorrichtung 12 selbstkühlend ausgebildet werden, so daß eine Überhitzung der Abgas-Verteileröffnungen 24 oder 30 vermieden werden kann.

Die Erfindung ist vorstehend im Zusammenhang mit der Verbrennung von Kohle erläutert worden, jedoch liegt auf der Hand, daß die Erfindung ebenso anwendbar ist auf Reaktoren oder Verbrennungsofen zur Verbrennung von Schweröl oder von anderen gasförmigen Brennstoffen.

Die Erfindung weist eine Reihe wesentlicher Vorteile auf. So können im oberen Fließbett erzeugte Kalziumverbindungen zum unteren Fließbett herabfallen und können als Reduktionskatalysatoren verwendet werden, so daß im unteren Fließbett eine stabile, wirksame und mit hohem Wirkungsgrad arbeitende Denitrifizierung durchgeführt werden kann. Alle Verbrennungsgase, die im unteren Fließbett erzeugt werden, werden durch das obere Fließbett in Kontakt mit den Kalksteinpartikeln hindurchgeleitet, so daß auch eine zwangweise Entschwefelung sichergestellt ist. Rezirkulierte Abgase können selektiv in das obere Fließbett eingeleitet werden, so daß eine Produktion von thermischem NO im oberen Fließbett unterdrückt werden kann. Die Trennvorrichtung ist mit einer Mehrzahl von Gaseinführdüsen versehen, durch welche hindurch Gase (Verbrennungsluft und/ oder rezirkulierte Abgase), die von außen her dem Reaktor zugeführt werden, austreten, so daß eine Überhitzung der Trennvorrichtung vermieden werden kann und demzufolge eine lange Betriebslebensdauer der Trennvorrichtung gewährleistet werden kann. Wenn einige der Abgas-Verteileröffnungen mit nach unten gerichteten Injektionsdüsen versehen sind, so können die fluidisierten Partikel des oberen Fließbettes unter Zwang in Richtung auf das untere Fließbett gefördert verden.

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Leerseite

Claims

NWJWALTE 2 9 A b 5 A4

Ishikawajima-Harima 1 ^;> T/¹'

Jukogyo R.K.

Tokio/japan

Patentansprüche

Verbrennungsofen oder Reaktor, <:okonn:'.o i. chn*M durch pin mehrstufines Wirbe] sch icht— oder· Kließbettsvstem mit wenigstens einem oberen und einem untere)! Fließbett (1 3 bzw. 11 ), die Zonen bilden, in denen V/ i rbelsch i.chten au^c. Fl Leßbet tpartil. ein gebildet sind, die l'al kste i nparti! el enthalten, sowie weiter dadurch gekennzeichnet, daß das untere Fließbett (ii) mit einer Zuführvorrichtung (16) für Brennstoff und einer Zuführvorrichtung (20) für Verbrennungsluft versehen ist, und daß das obere Ende der das untere Fließbett (11) bildenden Zone mit dem unteren Ende der das obere Fließbett (13) bildenden Zone durch eine Trennvorrichtung (12.) hindurch in Verbindung stehen, die mit einer Mehrzahl von Abgas-Verteileröffnungen (24; 30) zur Verteilung der Abgase aus dem unteren Fließbett (11) in das obere Fließbett (1 3) hinein und mit einer Mehrzahl von Düsen (25; 34) versehen ist, die an die Zuführvorrichtung (20) für Verbrennungsluft angeschlossen sind.
2. Verbrennungsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgas-Rezirkulationssystem vorgesehen ist, mittel: dessen ein Teil der aus dem Verbrennungsofen (8) ausgetragenen Abgase durch die Düsen (25; 34) der Trennvorrichtung (12) in das obere Fließbett (13) eintragbar ist.

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3. Verbrennungsofen nach Anspruch 1 oder

zeichnet, daß die Düsen (25) in den Abgds-Verteileröffnungen (2A) angeordnet sind, und daß die Zuführvorrichtung (20) für Verbrennungsluft zu Jon Düsen mit einer Einrichtung (18) zur Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft zu den Düsen versehen ist.
4. Vei'brennungsofen nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Abgas-Verteileröffnungen (30) mit Düsen (32) versehen sind, die nach unten gerichtet sind.

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