DE3418980A1

DE3418980A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von dampf

Info

Publication number: DE3418980A1
Application number: DE19843418980
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Speich; Gereon Dipl.-Ing. Dr.-Ing. 5000 Köln Thomas
Original assignee: Rheinische Braunkohlenwerke AG
Current assignee: Rheinbraun AG
Priority date: 1984-05-22
Filing date: 1984-05-22
Publication date: 1985-11-28
Also published as: DE3418980C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Dampf
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Dampf in einem Kessel unter Verwendung von festen, kohlenstoffhaltigen Materialien, die in einer Wirbelschicht unter Zufuhr von Vergasungsmittel einem Vergasungsprozess unterzogen werden, wobei feste Vergasungsrückstände unterhalb des Wirbelbetts abgezogen werden, und unter Nutzung der fühlbaren Wärme der beim Vergasungsprozeß entstehenden Gase.
Bei Verwendung von festen Brennstoffen zur Dampferzeugung werden diese Brennstoffe, im allgemeinen Kohle, durchweg zur direkten Beheizung des Kessels verbrannt. Es ist bekannt, daß dadurch die Umwelt belastet wird.
Eine gewisse Verringerung der durch das Verbrennen von festen, kohlenstoffhaltigen Materialien bewirkten Umweltbelastung wird durch die Wirbelschicht-Feuerung erwartet, bei welcher die verhältnismäßig feinkörnige Kohle in einer Wirbelschicht verbrannt, also mit Sauerstoff umgesetzt wird.
Dabei besteht die Möglichkeit, der Kohle CaO oder im Brennraum CaO bildende Substanzen, beispielsweise Kalkspat (CaC03) oder Dolomit (CaMgCO3), zuzusetzen, die das aufgrund des Schwefelgehaltes der Kohle entstehende SO2 zumindest teilweise einbinden. Allerdinys muß, wenn die zuzusetzenden CaO-Mengen so gering wie möglich gehalten werden sollen, darauf geachtet werden, daß die CaO- bzw. CaMgO-Partikel in möglichst feinkörniger Form vorliegen, um eine große Oberfläche für die Einbindung des Schwefels anzubieten. Sonst tritt der Fall ein, daß lediglich ein sehr geringer Teil, nämlich die äußere Oberfläche der CaO-bzw. CaMgO-Partikel Schwefel - im allgemeinen in Form von CaSO4 oder MgSO4 -einbindet; die inneren Bereiche dieser Partikel tragen wegen der Schalenbildung zur S02-Einbindung nichts bei.
Ein weiteres Problem stellen - auch bei der Wirbelschichtfeuerung - die NOx-Emissionen dar. Diese gehen zu einem Teil auf den mit dem Brennstoff eingebrachten Stickstoff zurück.
Darüber hinaus erfolgt auch eine thermische, d. h. auf den Luftstickstoff zurückgehende NO -Bildung. Letztere ist zwar durch die Verbrennungstemperatur und die Verbrennúngsführung beeinflußbar. Jedoch sind ensprechende Betriebsbedingungen bei der Verbrennung nicht immer leicht einzuhalten, je nachdem welcher Brennstoff jeweils verbrannt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtung der einleitend beschriebenen Art so abzuwandeln, daß die vorstehend erwähnten Nachteile vermieden oder doch zumindest merklich reduziert werden. Insbesondere wird angestrebt, bei der Verwendung von festen Brennstoffen zur Dampferzeugung eine möglichst umweltfreundliche Umsetzung des festen Kohlenstoffes zwecks Bereitstellung der dazu erforderlichen Wärmeenergie zu ermöglichen. Der eigentliche Verbrennungsvorgang soll ohne großen betrieblichen und apparative Aufwand so geführt werden können, daß das Entstehen von NOx weitgehend vermieden wird. Ggf. soll zumindest ein wesentlicher Teil des Schwefels vor der Verbrennung im Kessel entfernt werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß der vorzugsweise unter erhöhtem Druck ablaufende Vergasungsprozeß zur Erzeugung eines brennbaren Produktgases unter Ver-wendung auch endotherme Umsetzungen bewirkender Vergasungsmittel durchgeführt wird und das Produktgas mit ggf. in ihm noch enthaltenen Feststoffpartikeln direkt in den Kessel geführt und dort verbrannt wird. Vorteilhaft wird das aus der Wirbelschicht austretende Gas vor Einleitung in den Kessel durch eine Nachvergasungszone geführt, in die ebenfalls Vergasungsmittel eingeleitet werden kann. Diese Nachvergasungszone dient insbesondere der Umsetzung der feinstkörnigen Feststoffpartikel, die von dem aus der Wirbelschicht austretenden Gas mitgerissen werden.
Im Ergebnis bedeutet dies, daß dem Kessel ein Wirbelschichtvergaser vorgeschaltet ist, in welchem das feste kohlenstoffhaltige Material unter Anwendung gasförmiger Vergasungsmittel zu einem insbesondere CO und H2 enthaltenden Produktgas umgesetzt wird, welches direkt dem Kessel zugeführt und dort verbrannt werden kann. Wenngleich der dem Kessel vorgeschaltete Vergasungs-Reaktor einen zusätzlichen apparativen Aufwand bedeutet, überwiegen die durch eine derartige Verfahrensführung erzielbaren Vorteile. Die durch die Vergasungsmittel, neben Luft, Sauerstoff vor allem Dampf, und die resultierenden Umsetzungsprodukte im Reaktor verursachte reduzierende Atmosphäre begünstigt die Umsetzung des aus dem Brennstoff freigesetzten Schwefels zu HALS, dessen Einbindung in CaObzw. CaMgO an die Beschaffenheit des Kalksteins merklich geringere Forderungen stellt als dies für die SO2-Einbindung der Fall ist. Die Beladung der CaO-Partikel mit Schwefel ist im Fall des Vorhandenseins von H2S wesentlich gleichmäßiger, so daß eine höhere spezifische S-Beladung erreichbar ist,so daß zur Einbindung einer bestimmten Schwefelmenge eine geringere Menge von CaO erforderlich ist.Für die Einbindung des in der Kohle enthaltenen Schwefels kann dem Vergaser eine Dosier- und Mischeinrichtung vorgeschaltet werden, in welcher Kalkstein oder dgl. der Kohle zugemischt wird, bevor letztere in den Vergaser eingeführt wird. Üblicherweise wird dabei der Kalkstein in einer Korngröße entsprechend der Korngröße der zu vergasenden Kohle, also z. B. etwa 0 -5 mm bei Braunkohle, zugemischt. Das Gemisch kann über eine gekühlte Schnecke in das Wirbelbett eingetragen werden.Wenn die Vergasung im Reaktor unter erhöhtem Druck erfolgt, können Schleusen vorgeschaltet sein.
Weiterhin können die NO -Emissionen beim erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich niedriger gehalten werden als bei herkömmlichen Kesselanlagen, und zwar auch bei solchen, die eine Wirbelschichtfeuerung aufweisen. Dies ist im wesentlichen darauf zurückzuführen, daß im Kessel gasförmige Brennstoffe verbrannt werden, die ohne verfahrenstechnische Schwierigkeiten eine Verbrennungsführung ermöglichen, bei welcher die thermische NOx -Bildung sehr weitgehend verringert wird. So kann bei Verbrennungstemperaturen in der Größenordnung von beispielsweise bis zu 1000" C mit gestufter Verbrennung gearbeitet werden, wobei das Gas in mehreren Stufen unter jeweils reduzierenden Bedingungen zunächst teilweise verbrannt wird, um in einer letzten Stufe unter oxidierenden Bedingungen in möglichst kurzer Zeit vollständig umgesetzt zu werden. Die Tatsache, daß das aus dem Vergasungsreaktor kommende Produktgas auch noch in gewissem Umfang Feststoffpartikel enthält, beeinträchtigt die bei gasförmigen Brennstoffen gegebene Möglichkeit der Verbrennungsführung nicht, da die festen Partikel heizwertmäßig nur von untergeordneter Bedeutung sind und aufgrund ihrer geringen Korngröße auch schnell verbrennen.
Die festen Vergasungsrückstände, die unterhalb der Wirbelschicht unter Luftabschluß abgezogen werden, können einer getrennten Verbrennung zur Oxidation des eingebundenen Schwefels zu CaSO4 zugeführt werden. Die dabei gewonnene Wärme kann ebenfalls zur Dampferzeugung genutzt werden.
Die durch das Verfahren gemäß der Erfindung erzielbaren Vorteile sind von so großer Bedeutung, daß der durch das Vorhandensein des Vergasungsreaktors erforderliche Mehraufwand nicht ins Gewicht fällt. Dies gilt umso mehr, als Vergasungsreaktor und Verbrennungsraum des Kessels zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt werden können. Eine derartige Ausgestaltung begünstigt auch eine nahezu verlustfreie Nutzung der fühlbaren Wärme des Produktgases im Kessel. Vorteilhaft ist weiterhin, daß im Vergasungsreaktor ggf. kohlenstoffhaltige Materialien mit schlechter Qualität vergast werden können, die nicht oder nur mit Schwierigkeiten direkt in einem Kessel verbrannt werden könnten.
Für die Vergasung der kohlenstoffhaltigen Materialien wird zweckmäßig ein Hochtemperatur-Winkler-Vergasungsreaktor benutzt. Wenn Vergasung und Verbrennung unter erhöhtem Druck stattfinden, können dem Kessel eine Einrichtung zur Heißentstaubung des Rauchgases und eine Turbine zur Entspannung desselben nachgeschaltet sein, um auch hier noch Energie zu nutzen. Auf diese Weise sind Gesamtwirkungsgrade bis zu 37% erzielbar. Im übrigen ist es vorteilhaft, den Kessel mit großen Wärmetauscherflächen zu versehen, da diese für die angestrebten bzw. gegebenen Betriebsbedingungen - verhältnismäßig niedrige Verbrennungstemperaturen und mäßige Gasgeschwindigkeiten - im Hinblick auf den überwiegend konvektiven Wärmeübergang besonders günstig sind.
Zwar ist aus der DE-AS 2,801,574 ein Wirbelschichtschachtgenerator bekannt, der oberhalb der Nachvergasungszone mit einem in den Vergaserschacht eingebauten Strahlungsrohrkessel versehen ist, der der indirekten Kühlung des aus der Nachvergasungszone strömenden Produktgases dient. Durch diese Kühlung soll eine Reduzierung der Temperatur des Produktgases erreicht werden, die ein Ans sintern von Ascheteilchen im oberen Teil des Vergaserschachtes und den nachgeschalteten Gaswegen vermeiden soll. Bei diesem Wirbelschichtschachtgenerator wird somit nur ein kleiner Teil der fühlbaren Wärme des Produktgases nutzbar gemacht, wobei nicht die Wärmenutzung, sondern vielmehr die dadurch bewirkte Abkühlung des Produktgases im Vordergrund steht.
Ferner offenbart die US-PS 2,537,153 einen Wirbelschichtschachtverkoker für feinkörnige Brennstoffe, bei welchem ein geringer Teil der aus der Wirbelschicht nach oben strömenden flüchtigen Bestandteile in einer Zone oberhalb der Wirbelschicht verbrannt wird. Diese Maßnahme dient jedoch lediglich der Temperaturerhöhung der gasförmigen flüchtigen Bestandteile, um eine unerwünschte Kondensation desselben zu verhindern. Es handelt sich somit auch in diesem Fall um die Beeinflussung des Betriebsablaufes innerhalb des Wirbelschichtreaktors.
In der Zeichnung ist eine aus einem Hochtemperatur-Winkler-Vergaser und einem Kessel bestehende Baueinheit im Schema dargestellt.
Der HTW-Vergaser 1 weist ein Wirbelbett 2 und eine Nachvergasungszone 3 auf. In das Wirbelbett 2 wird ein Gemisch 4 aus zerkleinertem festem Brennstoff, wie z. B. Kohle, vorzugsweise Braunkohle, und Kalk, eingegeben. Über Zuleitungen 5 werden Luft oder Sauerstoff und Dampf als Vergasungsmittel in das Wirbelbett 2 eingeführt, so daß gleichzeitig exotherme und endotherme Umsetzungen unter Bildung insbesondere von Co und H2 ablaufen. Die Vergasungsmittel dienen auch zugleich als Wirbelmedium. Die Temperatur im Wirbelbett beträgt etwa 750 ° C. Der Druck im Gesamtsystem kann jeweils zwischen 1 und 25 bar liegen.
Der aus der Kohle freigesetzte Schwefel wird mit dem CaO zu CaS umgesetzt. Die festen Vergasungsrückstände, bei denen es sich im wesentlichen um Asche, CaS und Restmengen an festem Kohlenstoff handelt, werden über eine Schleuse 6 unterhalb des Wirbelbettes 2 abgezogen. An die Schleuse ist ein Reaktionsraum 7 angeschlossen, in welchem unter Zufuhr von Luft 8 das CaSzu CaSO4 oxidiert wird. Die resultierenden festen Rückstände 9 werden ausgetragen und z. B. auf eine Deponie gegeben.
Im unteren Teil der Nachvergasungszone 3 wird über eine weitere Zuleitung 10 weiteres Vergasungsmittel, beispielsweise Luft und/oder Dampf, zugeführt, so daß bei Temperaturen von etwa 850 ° C die aus dem Wirbelbett 2 mitgerissenen kohlenstoffhaltigen Partikel und eventuell vorhandene Teere und Öle weitgehend insbesondere zu H2 und CO umgesetzt werden. Das resultierende Schwachgas 11, das noch mit einem Staubgehalt in der Größenordnung von ungefähr 200 g/m3 beladen ist, strömt direkt, also ohne Wärmeverlust, in den Kessel 12 ein, dessen axiale Länge zumindest so groß ist wie die des HTW-Vergasers 1. Sie weist diesem gegenüber jedoch einen wesentlich größeren Querschnitt auf.
Der Kessel 12 ist mit mehreren großflächigen Wärmetauschern 13 versehen, die zur Dampferzeugung dienen. Das Frischwasser wird über den Anschluß 14 zugeführt. Der Dampf verläßt den Kessel über eine Leitung 15. Die zur Erzeugung des Dampfes 15 benötigte Wärme wird durch die Verbrennung des Schwachgases 11 innerhalb des Kessels 12 gewonnen. Die hierfür erforderliche Verbrennungsluft wird dem Kessel über Zuleitungen 16 zugeführt. Durch eine entsprechende Anordnung von Wärmetauscherflächen 17 und Düsen 18 für die Verbrennungsluft wird eine Verbrennungsführung innerhalb des Kessels 12 möglich, bei der die Verbrennungstemperaturen bestimmte Maximalwerte nicht überschreiten und die Bildung von NOX durch Umsetzung des in der Luft enthaltenen Stickstoffs weitgehend vermieden wird. Das Schwachgas 11 wird im Kessel 12 restlos verbrannt. Die Rauchgase 19 werden über einen Kamin 20 abgeleitet. Wenn Vergaser und Kessel unter erhöhtem Druck betrieben werden, wird das Rauchgas 19 nach Entfernung der in ihm noch enthaltenen Feststoffe über eine nicht dargestellte Turbine geführt und dort entspannt. Dies trägt zur weiteren Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Anlage bei.
Selbstverständlich können im Rauchgasstrom noch weitere Wärmetauscher vorgesehen sein, um die fühlbare Wärme des Rauchgases in üblicher Weise, also beispielsweise zur Erwärmung des Speicherwassers 14, zu nutzen.
Das folgende Ausführungsbeispiel basiert auf der Größe für eine erste zu errichtende Anlage. Spätere Anlagen werden für wesentlich größere Leistungen ausgelegt sein.
In einem HTW-Vergaser 1 wurden 35,6 t/h feingemahlene und auf einen Wassergehalt von 12 % vorgetrocknete Braunkohle bei Temperaturen um 750" C und Drücken von 10 bar vergast.
Als Vergasungsmittel 5 wurden in der gleichen Zeit 77,3 t/h Luft und 9,3 t/h Dampf zugeführt. Bei der Vergasung wurden 115,8 t/h Schwachgas 11 mit Temperaturen um 850 ° C erzeugt.
Das Schwachgas 11 wies die folgende Zusammensetzung an Gasbestandteilen auf: 17,6 Vol.% CO; 17,0 Vol% H2; 2,0 Vol% CH4; 10,3 Vol% CO2; 44,8 Vol*N2; 8,3 Vol% H20 und enthielt eine kleine Menge an H2S, sowie zusätzlich noch 200 g/m3 Staub. Das Schwachgas 11 wurde in der Kesselanlage 12 durch Zufuhr von 148 t/h Verbrennungsluft 16 bei Vebrennungstemperaturen unterhalb 800" C zu Rauchgas 19 verbrannt. Die Verbrennung in der Kesselanlage 12 erfolgte ebenfalls bei Drücken in der Größe von ungefähr 10 bar. Bei dieser Verbrennung wurden aus 215,8 t/h Frischwasser 14 215,8 t/h Dampf 15 erzeugt. Das Rauchgas wurde in einer Gasturbine etwa auf Umgebungsdruck entspannt. Die Stromabgabe der Anlage betrug 60 MW. Der Gesamtwirkungsgrad der Anlage betrug 35,7 %. Daneben wurden vom Grunde des Wirbelbettes 2 6,7 t/h Asche abgezogen, in der noch 488 kg/h Kalk in Form von CaO enthalten waren. Der Kalk war zusammen mit der Kohle als Gemisch 4 in das Wirbelbett 2 eingetragen worden und hatte den aus der Braunkohle freigesetzten Schwefel an sich gebunden. Durch Zufuhr von Luft wurde der in die Asche eingebundene Schwefel innerhalb des Reaktionsraumes 7 bei 800" C zu 790,3 kg/h CaSO4 (Gips) umgewandelt.

Claims

Patentansprüche ============================== 1. Verfahren zum Erzeugen von Dampf in einem Kessel unter Verwendung von festen, feinkörnigen, kohlenstoffhaltigen Materialien, die in einer Wirbelschicht unter Zufuhr von Vergasungsmittel einem Vergasungsprozeß unterzogen werden, wobei feste Vergasungsrückstände unterhalb des Wirbelbettes abgezogen werden, und unter Nutzung der fühlbaren Wärme der beim Vergasungsprozess entstehenden Gase, dadurch gekennzeichnet, daß der vorzugsweise unter erhöhtem Druck ablaufende Vergasungsprozeß zur Erzeugung eines brennbaren Produktgases unter Verwendung auch endotherme Umsetzungen bewirkender Vergasungsmittel durchgeführt wird und das Produktgas mit ggf. in ihm noch enthaltenen Feststoffpartikeln direkt in den Kessel geführt und dort verbrannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Wirbelschicht austretende Gas vor Einleitung in den Kessel durch eine Nachvergasungszone strömt, in die ebenfalls Vergasungsmittel eingeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Produktgas unter Einhaltung von Verbrennungstemperaturen bis etwa 1000" C in mehreren Stufen unter jeweils reduzierenden Bedingungen zunächst teilverbrannt und in einer letzten Stufe unter oxidierenden Bedingungen vollständig umgesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den zu vergasenden festen kohlenstoffhaltigen Materialien CaO und MgO und/oder solche Stoffe zugemischt werden, die CaO und/oder MgO im Vergaser bilden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß im Vergaser durch entsprechende Einstellung der Vergasungsmittel eine reduzierende Atmosphäre aufrechterhalten wird, die eine Umsetzung des vergasten Schwefels zu H2S begünstigt.
6. Verfahren nach Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Vergasungsrückstände, die unterhalb der Wirbelschicht abgezogen werden, einer getrennten Verbrennung unter Oxidation des eingebundenen Schwefels zu CaS04 oder MgSO4 zugeführt werden.
7. Vorrichtung zur Dampferzeugung mit einem Kessel und mit Einrichtungen zur Zufuhr von Vergasungsmittel in eine Wirbelschicht zum Vergasen von festen, feinkörnigen, kohlenstoffhaltigen Materialien und zum Abzug von festen Vergasungsrückständen unterhalb der Wirbelschicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kessel mit Einrichtungen (16, 18) zum Verbrennen des aus der Wirbelschicht zuströmenden brennbaren Produktgases (11) und der darin ggf. noch vorhandenen Feststoffpartikel versehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Wirbelschicht (2) und Kessel (12) eine Nachvergasungszone (3) vorgesehen ist, die mit Einrichtungen zur Zufuhr von Vergasungsmittel versehen sein kann.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß Wirbelschicht (2) und Nachvergasungszone (3) Bereiche eines Hochtemperatur-Winkler-Vergasungsreaktors bilden.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelbett (2) und ggf. Nachvergasungszone (3) enthaltende Vergaser (1) und Kessel (12) eine Baueinheit bilden.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kessel (12) eine größere Querschnittsfläche aufweist als die Nachvergasungszone (3).
12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei unter erhöhtem Druck stattfindender Vergasung und Verbrennung dem Kessel eine Einrichtung zur Heißentstaubung des Rauchgases (19) sowie eine Turbine zur Entspannung desselben nachgeschaltet sind.