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Umweltfreundliche Feuerung für Kohle-Brennstoffe
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vorzugsweise für Dampfkessel.
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Die Umwelt-Belastung durch Rauchgase aus Industrie-Feuerungen, beispielsweise
aus thermischen Kraftwerkenthat neben der Entwicklung von Rauchgas-Reinigungsanlagen
auch bereits zur Entwicklung von Feuerungen geführt, bei denen die Bildung von Schadstoffen
reduziert ist. Die Bemühungen zur Reduzierung der schädlichen Emissionen in die
Atmosphäre richteten sich insbesondere auf Feuerungen fü.r Kohle-Brennstoffe, also
Braunkohle, Steinkohle oder Koks, da dort große Mengen umgesetzt werden und die
Rauchgase in bedenklicher Konzentration die schädlichen Gase Schwefeldioxyd (S02)
und Stickoxyde (NOx) enthalten.
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Ein großer Teil des Schwefels kann durch Kalk-Zusatz zum Brennstoff
chemisch gebunden und mit der Asche abgeführt werden, während die Bildung von thermischen
Stickoxyden vermieden werden kann, wenn die Temperaturen in den Feuerungen eine
Grenze von etwa 900 °C nicht überschreiten.
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So wurden insbesondere Wirbelschicht-Feuerungen entwickelt, bei denen
die Temperatur in der Verbrennungszone durch Wärmetauscher innerhalb der Wirbelschicht
herabgesetzt bzw. begrenzt wird.
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Nachteilig an Wirbelschicht-Feuerungen ist der Energie-Aufwand für
die Trag- bzw. Poster-Luft zur Aufrechterhaltung der Wirbelschicht, die außerdem
nur langsame Laständerungen zuläßt, der hohe Staubgehalt der Abgase sowie der konstruktive
Aufwand für den Wärmetauscher mit großer Tauchfläche.
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In der Möglichkeit, in derartigen Feuerungen auch ballastreiche Kohle
mit niedrigem Heizwert zu verfeuern,liegt zwar ein gewisser Vorteil, doch zeigt
das System auch gewisse Einschränkungen bezüglich der Brennstoffe; denn eine Kohle
mit hohem Heizwert und entsprechend hoher lokaler Wärmekonzentration führt zu großen
Problemen bei der Temperatur-Reduzierung mittels Wärmetauscher. Aus den genannten
und anderen Gründen ist die Leistung pro Einheit bisher auf ca. 200 MW begrenzt.
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Außer Kohle in stückiger oder staubförmiger Beschaffenheit sind auch
bereits Dampfkessel-Feuerungen mit Kohle-Gas aus Entgasungs-und Vergasungspraessen
projektiert und betrieben worden gelegentlich auch ergänzt durch eine Feststoff-Feuerung
in der gleichen Anlage.
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Derartige Anlagen wurden vornehmlich für einen kombinierten Betrieb
des Dampfkessels mit einer Gasturbine konzipiert, wobei zur Erhöhung des Gesamt-Wirkungsgrades
möglichst hohe Gas-Temperaturen angestrebt werden. Es ist hierbei auch auf die Beherrschung
bzw. Reduzierung der Schadstoff-Emissionen geachtet worden; jedoch sind in diesem
Zusammenhang keine gezielten Maßnahmen bzw. Verfahren bekannt für eine kontrollierte
Temperatur-Begrenzung im Ablauf der chemischthermischen Prozesse.
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Das Prinzip der Erfindung ist ausgerichtet auf eine Begrenzung der
Temperaturen bei der Umwandlung der im Brennstoff chemisch gebundenen Wärme in fühlbare
Wärme zur nutzbaren Übertragung an Wärmetauscher, vorzugsweise an die Heizflächen
eines Dampfkessels.
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Eine Begrenzung der Temperaturen wird dadurch erreicht, daß die chemisch-thermische
Umwandlung von gebundener in fühlbare Wärme aus dem Brennstoff schrittweise in zwei
oder mehreren Stufen-Prozessen erfolgt, wobei auch die Wärme in Stufen freigesetzt
wird und örtliche hohe Temperaturen wegen extremer Wärmekonzentrationen vermieden
werden.
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Die in ihrer chemischen Reaktion und im Ablauf unterschiedlichen Prozesse
sind dabei derart gekoppelt, daß die im Brennstoff enthaltene Wärme vollständig
oder nahezu vollständig an die durch die Feuerung thermisch betriebene Anlage, also
beispielsweise einen Dampferzeuger, abgegeben wird, was in verschiedenen Zonen der
Anlage bzw.
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an verschiedene dort eingebaute Wärmetauscher erfolgen kann.
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Die Umwandlungsprozesse können gestufte Verbrennungsprozesse sein
oder auch Kombinationen von Verbrennungsprozessen mit Prozessen der Kohle-Entgasung
oder -Vergasung.
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Die Prozesse sind dabei derart ausgewählt und werden in der Zugabe
der reagierenden Stoffe, beispielsweise bezüglich Menge, Druck und Temperatur, sowie
im Ablauf derart gesteuert, daß im Bereich dieser Prozesse die Temperaturen unter
vorgegebenen Grenzen bleiben, vorzugsweise unter 900 °C, um die Bildung von thermischen
Stickoxyden zu vermeiden.
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Die chemisch-thermischen Reaktionsprozesse können zum Zwecke der Temperatur-Begrenzung
ergänzt werden durch Misch-Prozesse, wobei beispielsweise relativ kalte Gase, dabei
vorzugsweise Inert-Gase, zugeführt werden oder durch lokale Zwischen-Kühlungen mittels
Wärmetauscher, bevor Gase aus unterschiedlichen Prozessen zusammengeführt werden.
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Je nach Art und Zweck der Anlage sowie Aufstellungsort können unter
Umständen in gewissen Zonen der Prozesse örtlich und zeitlich begrenzte Temperatur-Überschreitungen
zugelassen werden, wenn dabei keine oder nur eine relativ vernachlässigbare Bildung
von thermischen Stickoxyden erfolgt.
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Eine Verbrennung des in die Anlage eingebrachten Brennstoffes mit
Temperatur-Begrenzung kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß in einer ersten
Stufe eine Teil-Menge des Brennstoffs mit hohem Luft-Überschuß verbrannt wird, wodurch
ein Teil der freigesetzten Wärme durch Aufheizung der Überschu6-Luft gebunden wird,
und in einer zwei tenhtufe der restliche eingebrachte Brennstoff mit dem Luft-Ü.berschuß
der ersten Stufe verbrannt wird. Zweckmäßigerweise werden dabei die Rauchgase der
ersten Stufe durch Wärmeabgabe an Wärmetauscher, also beispielsweise Heizflächen
eines Dampfkessels, abgekühlt, so daß in der zweiten Stufe die zusätzlich freigesetzte
Wärme nicht nur die Verbrennungsluft sondern -auch die in der Rauchgas-Mischung
enthaltenen inerten Verbrennungsgase aus der ersten Stufe aufheizen muß.
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Zusätzlich könnten u.U. am Kessel-Ende ausgekoppelte kalte Rauchgase
in den Verbrennungsprozeß der zweiten Stufe zur Temperatur-Absenkung eingeführt
werden.
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Eine gestufte Freisetzung von Wärme kann auch erreicht werden durch
eine vollständige oder partielle Entgasung oder Vergasung des Brennstoffes.
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Es sind Prozesse bekannt und in der Praxis erprobt, bei denen die
Reaktionstemperaturen unter 900 C gehalten werden können.
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Bei einer Kohle-Vergasung mit Luft kann der Prozeß bei Luft-Mangel
derart gesteuert werden, daß der Kohlenstoff der eingebrachten Kohle vollständig
zu Kohlenmonoxyd (Co) umgewandelt wird; es entsteht das sog. Luft- oder Generator-Gas.
Die Reaktion ist intern zeitweise endotherm insgesamt aber exotherm, jedoch in einem
geringeren Maße als bei einer vollständigen Verbrennung des Kohlenstoffs zu Kohlendioxyd
(cm2).
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Nach dem sog. Boudouard-Gleichgewicht erfolgt eine vollständige Umwandlung
in CO bei einer Temperatur von etwa 1000 °C. Wenn die Reaktion bei 900 0C oder darunter
abläuft, enthält das Produktgas auch CO2. Wenn die Vergasung im Bereich von 800
- 900 OC durchgeführt wird, bleibt der C02-Anteil unter 10 %, so daß als Endprodukt
ein gut brennbares Gas entsteht geeignet zur Verbrennung in einer anderen Stufe
des Verfahrens bzw. in einer anderen Zone der Anlage Die bei der Vergasung freiwerdende
exotherme Wärme kann an Wärmetauscher bzw. Heizflächen der Anlage abgegeben werden,
ebenso ein Teil der Wärme des Produktgases. Für die Verbrennung dieseS Gases in
einer Folge-Stufe bzw. anderen Zone wird dort die erforderliche Verbrennungsluft
zugeführt. Auch hierbei können die am Prozeß beteilgten Stoffe bezüglich Mengen
und Zuständen derart eingestellt und geteuert werden, daß die Reaktionstemperaturen
unter 900 0C bleiben.
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Bekannt sind weiterhin Vergasungsprozesse, bei denen zusätzlich Dampf
in die Reaktionszone eingeblasen wird. Der Dampf könnte u.U.
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auch ganz oder teilweise ersetzt werden durch Wasser, insbesondere
wenn der Brennstoff als Kohlenstaub-Waser-Suspension eingebracht wird. Es entstehen
dann sog. Mischgase, die auch Wasserstoff (H2) enthalten und wobei der Prozeß-Ablauf
in einem Temperatur-Bereich von etwa 700 - 900 OC erfolgen kann.
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Sollte in den Vergasungsprozessen der Brennstoff nicht vollständig
vergast werden und ein Rest in fester Form übrig bleiben, könnte dieser dem Brennstoff
für einen Verbrennungsprozeß beigemischt oder in einer separaten Feuerung verwendet
werden. Möglich wäre u.U. auch eine Wiedereinbringung zusammen mit neuem Brennstoff
für die Vergasung.
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Zur Reduzierung des S02-Gehaltes in den Abgasen wird neuerdings zur
chemischen Anbindung des Schwefels dem Brennstoff Kalkstein beigemischt; dies könnte
auch bei den vorbeschriebenen gekoppelten Stufen-Prozessen erfolgen.
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Ebenso könnten wie in anderen Fällen die Prozesse annähernd bei Atmosphärendruck
oder bei Überdruck, in sog. aufgeladenen Anlagen, ablaufen.
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Die Abbildungen zeigen schematisch an Beispielen von Dampfkesseln
die Anordnung der Stufen-Prozesse mit den zu- und abgeführten Medien.
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Die Abb. 1a zeigt einen Dampfkessel K mit den Rauchgas-Zügen Z1, Z2
und Z3. Im unteren Teil des Rauchgas-Zuge-s Z1 ist eine Brennkammer mit der Asche-Sammlung
und -Entleerung E angeordnet. In die Brennkammer bzw. Feuerung wird ein Teil des
Brennstoffes B1 eingebracht .und dazu Luft L1 mit großem Überschuß. Aus der Verbrennungszone
Vb1 strömen die Rauchgase Al nach oben. Sie können dabei einen Teil der mitgenommenen
fühlbaren Wärme an einen oder mehrere Wärmetauscher W bzw. Heizflächen im Kessel
abgeben, wobei sie abgekühlt werden.
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Sie gelangen dann in die Verbrennungszone Vb2, wo der restliche Teil
-des Brennstoffes 82 , beispielsweise als Kohlenstaub, eingebracht wird zur Verbrennung
mit dem Luftüberschuß aus den Rauchgasen Al.
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.Als Ergänzung oder Prozeß-Kühlung könnte auch noch Zusatz-Luft Lz
eingeblasen werden. Die in ihrer Zusammensetzung veränderten Rauchgase A2 strömen
dann zur weiteren Wärmeabgabe an Kessel-Heizflächen in den Rauchgaszug Z2 und nach
Abkühlung auf niedrige Temperatur als Abgase A3 durch den Abzug-Kanal Z3 zum Kamin.
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Die Abb. ib zeigt eine Kessel-Bauweise mit einem R-auchgaszug Z1,
der aus zwei seitlich versetzten Teilen Z1t und Z1" besteht mit den zugeordneten
Asche-Entleerungen El und E2. Dies könnte Vorteile bringen bei der Rauchgas-Führung
und für die Asche-Sammlung aus den Verbrennungszonen Vb1 und Vb2.
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Die Abb. 2a zeigt wiederum einen Dampfkessel K mit den Rauchgas-Zügen
Z1, Z2 und- Z3. Im unteren Teil des Rauchgas-Zuges Z-1 ist hier eine Vergasungskammer
mit Asche-Entleerung E angeordnet. In die Vergasungskammer wird der gesamte Brennstoff
B eingebracht und dazu Luft L2 mit Mangel, also in einer für eine vollständige Verbrennung
unzureichenden Menge, und dabei derart dosiert, daß in der Vergasungszone Vg ein
Kohle-Gas, beispielse sog. Luftgas, entsteht. Es könnte auch noch zusätzlich Dampf
D eingeblasen werden, wonach sich ein Mischgas bildet. Das im Vergasungsprozeß entstandenen
Kohle-Gas G strömt nach oben, wobei eine Abkühlung an Wärmetauschern W erfolgen
kann.
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Es gelangt dann in die Verbrennungszone Vb. Für -die Gas-Verbrennung
wird die erforderliche Luft L3 eingeblasen und und eventuell d.azu oder danach eine
weitere Luftmenge Lk zur Kühlung.
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Die Abb. 2b zeigt eine Bauweise, wobei die Vergasung in einem Gas-Erzeuger
GE durchgeführt wird, der in einem Abstand vom Kessel K aufgestellt und mit diesem
durch einen Kanal oder eine Rohrleitung R verbunden ist. Dies könnte konstruktive
und verfahrenstechnische Vorteile bieten. In Anlehnung an bekannte Vergaser-Bauarten
wird der Brennstoff B von oben in den Gaserzeuger GE eingebracht, während die Vergasungsluft
L2 und gegebenenfalls auch Dampf unten eingeblasen werden. Das erzeugte Gas G strömt
aus der Vergasungszone Vg durch die verbindende Rohrleitung R in den Rauchgaszug
Z1 des Kessels, wobei im Gaserzeuger Wärme an Wärmetauscher abgegeben werden kann.
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Im Dampfkessel wird in der Verbrennungszone Vb bei Zuführung von Verbrennungsluft
L3 und evtl. zusätzlicher Kühl-Luft Lk das Gas verbrannt. Die Rauchgase A2 strömen
durch die Rauchgaszüge Z1 und Z2 und geben dabei Wärme an Kessel-Heizflächen ab.
Im Gaserzeuger ist eine Ascheentleerung El vorgesehen sowie vorsorglich auch unten
am Rauchgaszug Zl eine Einrichtung E2 zum Sammeln und Entleeren von Abfall-Stoffen,
die u.U. im Kessel-Zug anfallen.
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Die Abb. 3a zeigt eine kombinierte Anlage für Kohle-Verbrennung und
Kohle-Vergasung. Unten im Rauchgaszug Z1 des Kessels K ist eine Verbrennungskammer
bzw. Feuerung für festen Kohle-Brennstoff angeordnet, der.mit einer Teil-Menge B1
zusammen mit Verbrennungsluft L1 mit Überschuß eingebracht wird und in der Verbrennungszone
Vb1 verbrennt. In einem angebauten Gaserzeuger GE wird der restliche Teil des Brennstoffes
82 mit Luft L2 und ggflls. mit Dampf D in der Vergasungszone Vg vergast. Das entstandenen
Gas strömt nach Wärmeabgabe an Wärmetauscher W durch eine Öffnung in den Rauchgaszug
Z1 und vermischt sich dort mit den aufsteigenden Verbrennungsgasen Al. Auch die
Verbrennungsgase Al könnten vorher durch Wärmeabgabe an Wärmetauscher bzw. Kesselheizflächen
abgekühlt sein. Das Gas G aus dem Gaserzeuger verbrennt mit dem Luftüberschuß aus
den Verbrennungsgasen A7 in der Verbrennungszone Vb2 im Kesselzug Z1. Zur Kühlung
bzw. Temperatur-Begrenzung der Verbrennungsgase könnte zusätzliche Luft Lk eingeblasen
werden. Die Verbrennungs- bzw. Rauchgase aus der Zone Vb2 durch strömen die Rauchgaszüge
des Kessels bei Wärmeabgabe an die dort angeordneten Heizflächen und verlassen den
Kessel als Abgase A3 mit niedriger Temperatur. Zur Ascheentleerung sind zwei Einrichtungen
El und E2 vorgesehen.
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Die Abb. 3b zeigt eine Bauweise mit einem separat vom Kessel K aufgestellten
Gaserzeuger GE, der durch eine Rohrleitung R für das erzeugte Gas G mit dem Kessel
verbunden ist. Die gekopp-elten Verbrennungs- und Vergasungsprozesse verlaufen nach
dem Prinzip, wie zu Abb. 3a beschrieben.
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Die zu den Abbildungen beschriebenen Einrichtungen und Prozesse für
eine Freisetzung der im Brennstoff gebundenen Wärme in Stufen und damit Begrenzung
der auftretenden Temperaturen könnten auch in noch mehrere Stufen unterteilt oder
auch anders gekoppelt werden.
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Das zu den Abbildungen 1a und 1b beschriebene Prinzip der hintereinanderfolgenden
Teil-Verbrennungen könnte auch für flüssige und gasförmige Brennstoffe angewendet
werden.
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Die erfindungsgemäß beschriebenen Feuerungen bzw. Umwandlungsprozesse
für chemisch gebundene Wärme in Kohle-Brennstoffen in fühlbare Wärme bieten auf
neue Art Möglichkeiten zur Temperatur-Begrenzung und damit zur Vermeidung oder Reduzierung
schädlicher Emissionen.
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Es ist dabei außerdem vorteilhaft, daß der Staubgehalt in den Rauchgasen
innerhalb der auch sonst bei konventionellen Kohle-Feuerungen erzielbaren Grenzen
oder darunter bleibt, und daß auch die Abgasmenge nicht - oder bei gewissen Prozeß-Kombinationen
nur unwesentlich - vergrößert wird. Statt der für Wirbelschicht-Feuerungen erforderlichen
Tauch-Wärmetauscher mit Problemen bzgl. Werkstoff und Lebensdauer können die Wärmetauscher
im -Dampferzeuger - oder in anderen Industrie-Wärmeanla gen - sowie im Gaserzeuger
in bewährter Bauart, beispielsweise an den Wänden der Gas-Kanäle bzw. Rauchgaszüge,
hergestellt werden.