DE3015232C2 - Verbrennungseinrichtung zum Verbrennen von schwefelhaltigem Brennstoff - Google Patents

Verbrennungseinrichtung zum Verbrennen von schwefelhaltigem Brennstoff

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Eine aus der DE-OS 28 00 199 bekannte Einrichtung dieser Art, die an sich eine gute Verbrennung insbesondere von Kohle hohen Schwefelgehaltes mit geringem Aufwand und Raumbedarf ermöglicht, arbeitet mit Kalkstein als Matrixmaterial in beiden Fließbetten. Wegen der Korrosionsgefahr wird die Verbrennungstemperatur im ersten Fließbett auf einem Wert (z. B. 870° C) gehalten, der nur unwesentlich höher als die mögliche Temperatur im zweiten Fließbett und niedriger als die optimale Verbrennungstemperatur ist. Zwar ist auch im bekannten Fall ein Verbrennungsbetrieb mit wesentlich höheren Temperaturen möglich, wobei sich im Betrieb im ersten Fließbett infolge chemischer Reaktionen inertes Kalziumsulfat bilden kann, doch treten dann Probleme hinsichtlich unvermeidbarer Korrosionsschäden im Verbrennungsraum und die Gefahr des Sinterns des Sorptionsmittels auf. Im übrigen ist ein Sulfatüberzug beispielsweise auf dem Wärmetauscher unerwünscht.
Aus der DE-OS 14 51 489 ist es an sich, nämlich bei einer mit Erdgas beheizten Anlage zum Verbrennen von wäßrigem Bodenschlamm bekannt, ein Fließbett mit inertem Sand als Matrixmaterial zu betreiben. Diese bekannte Anlage hat nur ein einziges Fließbett.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungseinrichtung zu schaffen, die bei der bekannten guten Entschwefelung und geringer Vorheizung einerseits unter optimalen Verbrennungsbedingungen einschließlich hoher Verbrennungstemperaturen betrieben werden kann, andererseits aber übermäßige Korrosion im Verbrennungsraum vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch gekennzeichnete Merkmal gelöst.
Durch Vermeiden des Sorptionsmittels (Kalkstein) im ersten Fließbett können dort problemlos die für den jeweiligen Brennstoff optimalen Verbrennungsbedingungen eingestellt werden.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Ansicht einer Kohleverbrennungseinrichtung, und
F i g. 2 ein System, in dem die Einrichtung nach F i g. 1 verwendet werden kann.
Die in F i g. 1 schematisch dargestellte Verbrennungseinrichtung 200 enthält drei Fließbetten innerhalb eines gemeinsamen Metallgehäuses 202 mit Schichten 204 und 206 aus feuerfestem Material, das auf Stützen 208 ruht. Metallische Verteilerplatten 210, 212 und 214, die sich durch den Gehäuse-Innenraum erstrecken, bilden die Böden eines als Sandspeicher dienenden unteren Fließbettes, eines mittleren oder Brenner-Fließbettes und eines der Entschwefelung dienenden oberen Fließbettes.
ίο Unter dem unteren Fließbett befindet sich eine von einem Windkasten 216 gespeiste Luftkammer, durch welche die Fluidisierungsluft unterhalb der Verteilerplatte 210 in das Fließbett eintritt. Eine Vielzahl von Blasenkappen 218 erstreckt sich durch die Verteilerplatte 210, die durch ausdehnbare Verbindungen 219 an ihrem Platz gehalten ist. Durch die Gehäusewand oberhalb der Kappen 218 erstreckt sich ein Grobaschen-Auslaßrohr 220, welches überschüssiges Bettmaterial zu einem Sackraumtrichter abführt.
Unter dem mittleren Fließbett befindet sich eine Luftkammer 227, die fluidisierende Verbrennungsluft liefert Eine Vielzahl von Bodenglocken 224 erstreckt sich durch die Verteilerplatte 212 und einen Wassermantel 225, der zur Kühlung der Platte 212 dient. Eine auf der Platte 212 ruhende, die Bodenglocken 224 umgebende Isolationsschicht 228 trägt ein Lage von groben Quarzsteinen 230 (mit etwa 1—2,5 cm Durchmesser). Eine ähnliche Isolationsschicht 229 ist am Boden des Wassermantels 225 befestigt. Oberhalb der Bodenglocken 224 ist ein Kohlenzufuhrrohr 232 angeordnet, welches Kohle am Boden des Brennerbettes, unmittelbar oberhalb der Bodenglocken 224 ablagert, wodurch Feinkoh-Ie verwendet werden kann, die andernfalls, d. h. bei einer Zufuhr über dem Bett, ohne Verbrennung herausgeblasen würde. Bei Kohlezufuhr über dem Bett wäre es überdies schwierig, das Fließbett mit niedrigeren Sandpegeln zu betreiben.
Oberhalb des Kohlenzufuhrrohrs 232 erstrecken sich über das Brennerbett Dampf rohre 234 eines Wärmetauschers, die an ihren Enden in Rohrplatten 235 montiert sind (von denen eine in gestrichelten Linien gezeigt ist) und an Sammelleitungen zur Einführung von Wasser und zur Entfernung von Wasser und Dampf angeschlossen sind. Die Dampfrohre 234 sind im Abstand angeordnet und nehmen 25% des Gehäusevolumens zwischen der obersten Reihe und der untersten Reihe der Rohre ein.
Unter dem der Entschwefelung dienenden obersten Fließbett befindet sich ein mit öffnungen versehenes Sekundärluftrohr 236, welches zwei Reihen von Löchern 238 hat, die mit 30° nach unten geneigt sind, um die Sekundärluft unterhalb des oberen Bettes zu verteilen, und eine dritte Reihe von Löchern 240 am unteren Teil des Rohrs, durch die unerwünschte Partikel herausgeblasen werden. Oberhalb des Sekundärluftrohrs 236 ist ein Wassermantel 242 angeordnet, der zur Kühlung der Verteilerplatte 214 dient. Prallplatten 244 (von denen eine gezeigt ist) für das zirkulierende Kühlwasser vermeiden lokale Uberhitzungen. Eine Vielzahl von Fraktionier-Bodenglocken 246 erstreckt sich durch den Wassermantel 242 und die Verteilerplatte 214 sowie ein Isolationsschicht 248. Eine Lage von Steinen 250 (das gleiche Material wie die Quarzsteine 230) bedeckt die Isolationsschicht 248 und Bodenglocken 246. Eine ähnliehe Isolationsschicht 249 ist am Boden des Wassermantels 242 befestigt. Der Zweck der Steine 250 besteht darin, die von den Bodenglocken 246 austretenden Gase seitlich zu verteilen. Oberhalb des oberen Bettes befin-
den sich drei Reihen von Rohren 252 in der dargestellten Anordnung, die ein Hindernis für alle Partikel bilden, die in beliebigen Winkeln von dem Bett hochgeschleudert werden. Die Rohre 252 sind nche ihrer Enden und an in Längsrichtung beabstandeten Stellen durch mit Öffnungen versehene Platten 254 abgestützt, von denen nur eine dargestellt ist, und die ihrerseits über Stäbe 256 am Metallgehäuse 202 gehaltert sind. Oberhalb der Rohre 252 erstreckt sich das Kalksteinzufuhrrohr 258, welches Kalkstein in das Entschwefelungsbett bis zu einem Pegel gerade oberhalb der obersten Reihe der Rohre 252 einfüllt Der Kalkstein fällt von dem Auslaß 259 des Rohrs 258 durch eine Lücke (nicht gezeigt) in der Anordnung der Rohre 252. Das Kalkstein-Fallrohr 260 arbeite: mit einer (nicht gezeigten) Einrichtung zusammen, die den Kalksteinpegel gerade über den Rohren 252 hält und verbrauchtes Kalksteinmaterial abführt. Heiße entschwefelte Gase entweichen durch das Rauchrohr 262 über einen Wärmetauscher und einen Sackraum zur Entfernung von Asche oder anderen Festkörperteilchen zu einem Abzug.
Durch eine Steigrohranordnung 246 und eine Fallrohranordnung 266 kann das Bettmaterial zum Vorheizen und Herunterfahren von dem unteren Bett zum mittleren Bett und umgekehrt transportiert werden. Die Steigrohranordnung 264 umfaßt ein Steigrohr 268, das bei durch ein Betätigungsglied 272 an der Außenseite des Gehäuses 202 geöffneter Klappe 270 Bettmaterial aus dem unteren Bett durch Druckluft aus dem Rohr 274 in das mittlere Bett durch eine selbsttätig öffnende Klappe 276 eingeblasen wird, die normalerweise ourch Schwerkraft geschlossen gehalten ist. Der normale Pegel des Bettmaterials beim Betrieb des Brenners mit 100% Kapazität liegt gerade oberhalb der obersten Dampfrohre 234, wie in der F i g. 1 gezeigt. Paßstücke 278 und 279 verstärken die Rohrleitungen an den Umlenkstellen.
Die Fallrohranordnung 266 umfaßt ein Fallrohr 280, durch das bei durch ein Betätigungsglied 284 geöffneter Klappe 282 Bettmaterial aus dem mittleren Bett mittels einer Förderschraube in das untere Bett eingespeist wird. Bei normalem Betrieb soll das Fallrohr 280 mit dem Bettmaterial gefüllt sein, so daß es als Druckdichtung wirkt. Ein Paßstück 281 ist an einer Stelle angeordnet, an welcher das Bettmaterial eine scharfe Richtungsänderung durchführt.
Bei der dargestellten Verbrennungseinrichtung 200 enthält das im Füllzustand beispielsweise etwa 18 cm tiefe untere Bett Sand mit einer mittleren Partikelgröße von beispielsweise 850 μιτι und das mittlere Bett, dessen Tiefe zwischen etwa 15 und 29 cm variiert, gleichartigen Sand. Das etwa 15 cm tiefe obere Bett verwendet Sand und handelsübliche Kalkstein-Chips. Der Abstand zwischen dem Oberteil der Bodenglocke 224 und dem Unterteil der Dampfrohre 234 beträgt bei diesem Beispiel etwa 15 cm. Da der Brenner »ausgeblasen« wird, wenn das Bettmaterial im mittleren Bett weniger als 7,6 cm tief ist (gemessen von der Oberseite der Bodenglocken 224), ergibt sich dadurch ein Sicherheitsfaktor gegen das Ausblasen aufgrund unbeabsichtigten Verlustes von Bettmaterial währenddes Betriebes.
Für den Betrieb der Einrichtung wird zunächst das mittlere Bett bis zu einer Tiefe von etwa 30 cm mit Sand gefüllt, während das obere Bett zu einer Tiefe von etwa 15 cm durch das Zufuhrrohr 258 mit zerstoßenem Kalkstein gefüllt wird. Dann wird zum Anfahren des kalten Brenners fluidisierende Luft durch den Windkasten 216 geblasen, und i-las mit Bettmaterial gefüllte mittlere Bett wird durch die Fallrohranordnung 266 so weit gelehrt, bis das Bettniveau unter dem Einlaß des Fallrohres steht, so daß die Dampfrohre 234 nicht langer mit Bettmaterial bedeckt sind (das verbleibende Material ist etwa 15 cm tief). Nun wird die fluidisierende Luft abgestellt und ein mit Propangas betriebener Vorheizer 223 unterhalb der Verteilerplatte 212 in Betrieb gesetzt, der das Material in dem mittleren Bett auf zunächst etwa 5400C aufwärmt und dann, ggf. nachdem kurzzeitig
ίο Kohle unter Fluidisierung zugesetzt wurde, auf beispielsweise etwa 730° C. Weil dank der Tiefe des Bettes unter dem Wärmetauscher dessen Dampfrohre 234 mit dem Material in dem mittleren Bett nicht in Berührung stehen, ziehen sie von dem Bettmaterial keine Hitze ab.
und weil das Bettmaterial nicht im fluidisierten, sondern im abgesetzten Zustand erhitzt wird, ist seine Oberfläche für Hitzeverluste entsprechend gering, so daß ein ziemlich kleiner Vorheizer ausreicht.
Nach Abstellen des Vorheizers wird fluidisierende Verbrennungsluft aus dem Gebläse durch den Windkasten 222 und durch die Bodenglocken 224 geblasen, um das mittlere Bett zu fluidisieren, und in das heiße Bettmaterial Kohle eingemischt, bis das mittlere Bett sich der erwünschten Temperatur von z.B. 96O0C nähert.
Typischerweise wird der Brenner bei einem Luftüberschuß von 100% betrieben. Gleichzeitig mit der Kohlezuführung wird Kalkstein dem oberen Bett zugeführt. Die Gase, die aus dem mittleren Bett austreten, strömen durch die Bodenglocken 246 und das obere Bett und verlassen die Verbrennungseinrichtung 200 über das Rauchrohr 262. Die Temperatur des oberen Bettes wird auf 8400C eingestellt, bei welcher Temperatur die Entschwefelungswirksamkeit am besten ist.
Wenn nach Erreichen der gewünschten Bettemperatür der Systemdampfdruck zu gering ist, steigert der Brenner seine Hitzeabgabe, indem durch die Steigrqhranordnung 264 Bettmaterial aus dem Unterbett in das Mittelbett geblasen und damit der Kontakt des Bettmaterials mit den Dampfrohren 234 gesteigert wird, bis die Dampfrohre vollständig bedeckt sind. Der dadurch bedingte Hitzeverlust wird durch Steigerung der Kohlezufuhrrate ausgeglichen. Ist der Dampfdruck zu hoch, kann durch die Fallrohranordnung 266 Material aus dem Mittelbett in das die zweite Speicherzone bildende untere Bett transportiert werden, wodurch die Wärmeabgabe an die Dampfrohre 234 reduziert wird.
Wenn der Dampfdruck zu gering ist, daß das Mittelbettmaterial seine dem unteren Rand des Fallrohres 266 entsprechende Mindesttiefe von 15 cm erreicht, wird die Verbrennungseinrichtung 200 abgeschaltet.
Eine andere Betriebsweise ermöglicht es. das Verbrennungsbett substöchiometrisch (typisch bei einem Äquivalenzverhältnis von 0,85) zu betreiben, während das obere Bett bei einem leichten Luftüberschuß (typisch 3% betrieben wird). Zweck dieser Methode ist es, trotz guter Verbrennungsverhältnisse die Emission von Stickoxid (NO) aus dem Brenner zu verringern.
Die beschriebene Verbrennungseinrichtung 200 hat eine Kapazität von 10 000 000 BTU/Stunde, die auf 1010 BTU/Stunde gesteigert werden könnte, wobei Dampftemperaturen von 650°C ohne die Gefahr von Korrosion möglich sind. Die in konventionellen Verbrennungseinrichtungen bestehende Gefahr von Korrosion durch freigesetzte Alkalien entfällt zwar bei allen
b5 Fließbettbrennern, doch unterliegen bekannte Fließbettbrenner einer Korrosion aufgrund der Gegenwart von Kalziumsulfat, das die Dampfrohre überzieht. Diese Form der Korrosion durch einen Sulfatüberzug wird
durch die Verwendung von Sand statt Sorptionsmittel als Matrixmaterial an den Dampfrohren vermieden. Infolgedessen kann die Einrichtung bei Temperaturen betrieben werden, die allein von anderen Faktoren bestimmt werden können, insbesondere von den verwendbaren Kohlen unterschiedlichster Art. Statt Kohle kann auch Öl mit beliebigem Schwefelgehalt verbrannt werden.
Die Verbrennungseinrichtung 200 kann auch dazu benutzt werden, andere Medien in den Rohren 234 zu heizen, z. B. Luft, ggf. zum Antrieb einer Gasturbine für die Elektrizitätserzeugung.
Eine andere Betriebsmöglichkeit ist gemäß F i g. 2 die Verwendung der beschriebenen Verbrennungseinrichtung als Kohlebrenner in an sich bekannter Weise (US-PS 40 51 791) in einem System, das eine Fyroiysevorrichtung 400, einen Kohlezyklon 402, eine entschwefelte Verbrennungseinrichtung 404, einen Aschezyklon 406 und einen Nachbrenner 408 umfaßt. Kohle und Kalkstein werden pneumatisch durch die Leitung 412 in die Pyrolysevorrichtung 400 eingespeist Die Kohle wird in der Pyrolysevorrichtung 400 pyrolisiert unter Bildung von Feinkohle und unter Erzeugung von flüchtigen Bestandteilen einschließlich Schwefelwasserstoff.Kalkstein wird in der Pyrolysevorrichtung 400 kalziniert unter Bildung von Kalk (CaO), welches dem Strom flüchtiger Bestandteile Schwefelwasserstoff entzieht durch die Reaktion
H2S + CaO — CaS + H2O (1)
Das Calciumsulfid wird dann mit der Kohle und den flüchtigen Bestandteilen durch die Leitung 414 in den Kohlezyklon 402 geleitet, wo die Gase von den Feststoffen getrennt werden, und dann durch die Leitung 416 in die Brennkammer 418 der Verbrennungseinrichtung 404 geleitet (die der nach F i g. 1 ohne Dampfrohre 234 entsprechen kann). Die Gase aus dem Kohlezyklon 402 werden durch die Leitung 420 zum Nachbrenner 408 gebracht. Die Kohle wird dann in der Brennkammer 418, welche zwischen 980 bis 1090° C, vorzugsweise bei 1040°C, betrieben wird, verbrannt. Das Calciumsulfid wird in dem Brenner durch Luftüberschuß zu Calciumoxid oxidiert durch die Reaktion:
CaS+ 3/2O2-CaO+ SO2 (2)
Das durch diese Regeneration des Calciumoxids emittierte Schwefeldioxid und das bei der Kohleverbrennung freigesetzte Schwefeldioxid werden durch Calciumoxid in der Entschwefelungskammer 422 gebunden (in der eine Temperatur zwischen 790 bis gerade über 870° C, vorzugsweise 840° C herrscht):
CaO + SO2 +1 /2 O2 — CaSO4 (3)
Der entstandene Kalk wird der Entschwefelungskammer 422 durch die Leitung 424 als Kalkstein zugeführt Das verbrauchte Sorptionsmittel, das zum Ausblasen aus der Verbrennungseinrichtung 404 zu grob ist, wird aus der Entschwefelungskammer 422 durch die Leitung entfernt Das verbrauchte Sorptionsmittel ist ein inertes Gemisch aus CaO und CaSO4.
Gemäß F i g. 2 verbinden Leitungen 428,430 und 438 die Brennkammer 418 mit der Pyrolyseeinrichtung 400, der Entschwefelungskammer 422 bzw. einem Nachbehandlungsreaktor 436. Eine Leitung 434 führt vom Aschezyklon 406 zum Nachbrenner 408.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verbrennungseinrichtung zum Verbrennen von schwefelhaltigem Brennstoff, bei welcher der Brennstoff in einem ersten Fließbett das ein erstes Bettmaterial enthält und in dem ein Wärmetauscher angeordnet ist, verbrannt wird und die gasförmigen Verbrennungsprodukte in einem zweiten Fließbett unter Reaktion mit einem kalkhaltigen zweiten Bettmateria! entschwefelt werden, wobei eine erste Speicherzone für das erste Bettmaterial oberhalb der Trägerplatte des ersten Fließbettes vorgesehen ist, die über Transportleitungen mit einer zweiten Speicherzone verbunden ist, und wobei die Temperatur des zweiten Fließbettes niedriger als die des ersten Fließbettes ist, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise das erste Bettmaterial bei allen Betriebszuständen inert ist.
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