DE3447147A1

DE3447147A1 - Verfahren und vorrichtung fuer die stickoxidfreie dampferzeugung mit fossilen brennstoffen

Info

Publication number: DE3447147A1
Application number: DE19843447147
Authority: DE
Inventors: Christian Dr.-Ing. 8570 Pegnitz Koch
Original assignee: Individual
Current assignee: Kat-Tec Gesellschaft fur Katalysatortechnik Mbh
Priority date: 1984-12-22
Filing date: 1984-12-22
Publication date: 1986-06-26
Also published as: DE3531815A1; JPS62501230A; EP0205517A1; WO1986003821A1; US4716844A

Description

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Verfahren und Vorrichtung -für die stickaxidfreie Dampferzeugung mit fossilen Brennstoffen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit deren Hilfe fossile Brennstoffe nehezu stickoxidfrei in Wärme umgewandelt und in einem Dampferzeuger an das Wasser bzw. den Wasserdampf übertragen werden können.

In dem Damferzeugerbau ist. es üblich, fossil beheizte Dampferzeuger mit einem Feuerraum auszustatten, in dem der fossile Brennstoff, Kohle, öl oder 6as, in einer Flamme verbrannt wird.

Dabei entstehen zumindestens örtlich Temperaturen, die nahe der theoretischen Verbrennungstemperatur liegen. Diese Temperaturen lieben oberhalb der kinetischen Bildungstmperatur für Stickoxide von 1300 grd C.

Dadurch entstehen je nach Feuerungsprinzip, das kann sein eine Zyklonfeuerung, Frontfeuerung, eine Brennkammer mit gestreckter Flamme oder auch eine Wirbelschichtfeuerung zwar unterschiedliche Stickoxidkonzentrationen im Abgas, ortlich werden aber immer mehr oder weniger große Verbrennungszonen mit nahezu stöchiometrischer Gemischbildung und mit deutlicher Stickoxidbildung entstehen.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, an allen Stellen des

Dampferzeugersystems solche Bedingungen zu schaffen, daß eine Stickoxidbildung nicht möglich ist. Dazu mufs an allen

Stellen Bedingungen geschaffen werden, daß die

Stickoxidbildungstemperatur von 1300 grd C nicht bei oxidierender Athmosphäre überschritten wird. 30

Dieses ist in einer Flammenverbrennung nicht möglich. Aus

diesem Grunde erfolgt die Verbrennung im LuftÜberschuß in einer Keramik flammlos bzw. gegebenenfalls katalytisch.

Der flammlosen Verbrennung in der Keramik ist eine Vergasung mit nachfolgender Abkühlung der Vergasungsgase vorgeschaltet. Die Vergasung besteht dabei aus einer keramisch isolierten Brennkammer, vorzugsweise Zyklonbrennkammer, die den eingesetzten Brennstoff, beispielsweise Kohle mit einem Luftteilstrom in ein Brenngas mit niedrigem Heizwert umsetzt.

Die Umsetzung des fossilen Brennstoffes in der ersten Stufe ist somit eine partielle Oxidation. Bei Zugabe von ca. 45-70"/. der theoretischen Luftmenge für die Verbrennung entsteht ca. 35- 55 "/. der Verbrennungswärme in dieser ersten Stufe, da ein Teil der entstehenden Verbrennungswärme von den wärmeverbrauchenden Reaktionen aufgezehrt werden.

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Die Vergasungstemperatur stellt sich etwa auf 1500-1900 grd C ein. Die hohe Vergasungstemperatur ermöglicht auf der einen Seite die Abfuhr der entstehenden Schlacken in flüssiger Form, auf der anderen Seite ist die Reaktion so beschleunigt, daß eine relativ vollständige Umsetzung der Kohle oder der feststoffhai ti gen öle gewährleistet ist«

Voraussetzung für diese hohe Tamperatur ist die gut isolierende keramische Auskleidung der Brennkammer beispielsweise mit dem verschleißfesten und isolierenden kerami sehen Materi ali en wie Si 1i ζi umnitri t und Si 1 i ζiufflkarbid.

Zur Erreichung dieser hohen Vergasungstemperatur bzw. Temperatur der partiellen Oxidation ist es ferner notwendig, daß die Verbrennungsluft relativ hoch zwischen 300 und 700 grd C vorgewärmt wird. Dieses geschieht in den, den Oxidationsstufen nachgeschalteten Wärmetauschern bzw. Lufterhitzern.

Neben den Lufterhitzern enthalten die den Oxidationsstufen nachgeschalteten Wärmetauscher auch Heizflächen für die Wassererwärmung, Verdampfung und überhitzung von Wasserdampf. Dadurch erfolgt eine Abkühlung der Gase nach der Vergasungsstufe und Verbrennungsstufe auf Temperaturen von 200 grd C und niedriger.

Eine Abkühlung der Vergasungsgase auf so niedrige Temperaturen ist deshalb zweckmäßig, da die Gasreinigung von Schadstoffen nicht mehr nach der Verbrennung, sondern SO zwischen Vergasung und Verbrennung erfolgt. Dabei werden die schwefelhaltigen Schadstoffe als Schwefelwasserstoff ausgeschieden.

Im Gegensatz zu den üblichen Absorptionsmitteln wird im Rahmen diesn Patentes vorgeschlagen, daß die Absorption des Schwefelwasserstoffes in Kalkmilchsuspension oder einer Absorptionsanlage erfolgt, die mit Kalkmilchsuspension arbeitet. Dabei setzt sich die Kalkmilch mit dem Schwefelwasserstoff zu Calziumsulfid um, daß sich durch Erhitzen mit Gips leicht zu Calziumoxid und Schwefel umsetzen läßt. Es sind noch eine Reihe weiteren Regenerierungsverfahren mit diesem Produkt möglich. Die Verwendung von Gips zur Regenerierung ermöglicht jedoch die Verringerung des in der Zukunft anfallenden Gipsberqes.

Die Verbrennung des entstandenen und so gereinigten Brenngases in der 2. Stufe mit der restlichen Verbrennungsluft, die zur vollständigen Verbrennung des eingesetzten Brennstoffes notwendig ist. erfolgt in einer Keramik, die in Form einer Lochsteinplatte oder Wabenkeramik ausgeführt sein kann.

Zur Beschleunigung der Umsetzung enthält diese Keramik

einen katalytischer! Zusatz, der auf der Keramik oder der mit wash-coat beschichteten Keramik aufgebracht wird, von bis 95 % Lanthan und 5 bis 50 % Cer.

Der Verbrennungseinrichtung nachgeschaltet ist ein Wärmetauscher,, der neben den Erwärmungseinrichtungen -für :l. 10 das Wasser, die Verdampfung und die überhitzung von Wasserdampf auch die Luftvorwärmungseinrichtung enthält, die die Verbrennungsluft auf 100 bis 500 grd C und das Brenngas auf 100 bis 300 grd C aufwärmt.

Die Verbrennung in der Verbrennungskermik spart Flammraum, sodafs die Wärmetauschereinheiten unmittelbar nach der Verbrennungskeramik angeordnet werden können« Die Verbrennungstemperatur liegt ohne Berücksichtigung der Wärmeableitung aus der Verbrennungszone unter 1300 grd C.

Das den Dampferzeuger nach dieser Umsetzung verlassende Rauchgas ist nahezu vollständig stickoxid- und schwef elf rei .,

Die Vorrichtung zur Durch-fürhung des Verfahrens zeigt Fig. 1« In der Fig. 1 ist mit 1 die Zufuhr des Brennstoffes, mit 2 der Vergasungsbehälter,, mit 3 die keramische Auskleidung, mit 4 die Zuführung der vorgewärmten Luft, mit 5 die Zuführung van Wasserdampf und mit 6 die Abfuhr der Schlacke g e k ennzeich η et»

An diese Vergasungskammer schließt sich dann der Wärmetauscher 7, der aus Flossenrohren und teilweise aus Stah 1 ta 1 sehen kanal f örmi g ausgehi 1 det i st., an, Die Heisflächen 8, 9 und 10 können der Luftvorwärmung, der Wassererwärmung, der Wasserverdampfung und der überhitzung dienen,, Die Abfuhr des sich abgesetzten Flugstaubes erfolgt über 14.

Mit 12 ist die Flugstaubreinigung des Vergasungsgases bezeichnet, die Abfuhr der restlichen abgeschiedenen F e st st. ο-f f ρ ar t i k e 1 er ΐ ο 1 q t üb er 15.

Mit 13 ist die Reinigungseinheit des Vergasungsgases bezeichnet. Sie dient zur Entfernung des Schwefelwasserstoffes, beispielsweise mit der Zufuhr von Kalkmilch 16, die zu Kalksulfid reagiert. Die Abfuhr des Reaktionsproduktes erfolgt über 17.

15.0 Bei 18 tritt das gereinigte Vergasungsgas in einen Gasvorwärmer 11, aus dem es erwärmt bei 19 in die flammlos katalytische Brennkammer 20 eintritt. Ebenfalls in diese Brenηkammer tritt die in Wärmetauscher 22 erwärmte Luft über den Kanal 21 ein,,

Die Umsetzung des Vergasungsgases mit Luft erfolgt in der Keramik 23. Das aus dieser Keramik austretende Abgas kühlt sich in den mit Flossenrohren kanalförmig ausgebildeten

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Wärmetauscher 24 sowie den zur Dampferzeugung notwendigen Wärmetauscher 25, 26 und 27 ab.

Das abgekühlte Abgas verläßt bei 28 den .Wärmeerzeuger und wird in den Schornstein 29 eingeleitet»

Nachfolgend wird eine spezielle Ausführung«form des Verfahrens und der Vorrichtung erläutert.

Für ein Warmwassersystem mit einer thermischen Leistung von 1,5 MJ/s soll Wasser in dem Wärmeerzeuger von■40 grd C auf 90 grd C erwärmt werden.

56,226 g/s Steinkohle mit einem durchschnittlichen Heizwert von Hu= 6,926 kcal/g Kohle, bestehend aus 80,4 % C, 5,4 % H, 12 % 0, 1 7. S und 1,2 % N, bei einem Wassergehalt von 3 % und einem Aschegehalt von 9 %, werden, pro Sekunde über die Leitung 1 in den Vergasungsbehälter 2 gefördert. über die Leitung 5 werden 0,2 g Wasserdampf je g Kohle zugegeben und mit ca. 500 grd C erwärmter Luft vermischt, die über 4 zuströmt. Die Mischung gelangt in den Kopf des

ISO Vergasungsbehälters 2, verwirbelt dort mit der über 1 zugeführten Kohle und wird gezündet« ■ ■

Bei einer Zugabe von 67 % der theoretischen Sauerstoffmenge über Luft und Wasserdampf in dieser erster.} Stufe werden ca, 48 7. der Verbrennungswärme freigesetzt.

Beim übertritt in den Strahl raum des kanalförmigen Flossenrohrwärmetauschers 7 haben die Gase eine Temperatur von ca, 1800 grd C ohne Berücksichtigung von Wärmeableitungen. Beim Durchströmen des Wärmetauschersystems 8, 9 13 und 11 werden sie auf ca. 120 grd C abgekühlt. Bei dieser Temperatur erfolgt die Abscheidung der Feststoff part i. kel in 12 und eine Gaswäsche in 13, wo sich die Base auf ca. 50 "/. der Temperatur abkühlen werden.

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Das saubere Gas, das als Reingas bezeichnet wird, wird in 11 auf ca, 120 grd C 'vorgewärmt und über 19 in die katalytische Brennkammer 20 geleitet und dort mit auf ' ca. 300 grd C vorgewärmter '-, Luft, die über 21 zuströmt, vermischt, und gezündet. · ^: ·;

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In der Keramik . 23 erfolgt die . Umsetzung des Vergasungsgases, d. h. die Gase verlassern die Keramik bei einer Temperatur von ca.' '1250 grd C. Auf dem Wege durch das WärmetauschW-system 25, 26, 27 und 22 kühlen sie sich auf ca. ■ 130 grd C ab,;' verlassen bei 28 den. kanal förmi gen Wärmetauscher 24 und gelan-gen in den Schornstein 29.

Das ;:u ' erwärmende 40 'grd C warme Wasser· wird in die Wärmetauscher geleitet, wobei es sich bei Durchströmen "der na^hgeschalteten Wärmetauscher um ca. 22 grd C. erwärmt»

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Von dort aus strömt das Wasser in das- War me ta us eher sy st. em der katalytischer) Brennkammer, um hier auf die erforderlichen 90 grd C erwärmt zu werden.

Nachfolgend wird eine spezielle Ausführungsform des Verfahrens und der Vorrichtung geschildert.

Ein Warmwassererzeuger für 15 MJ/s erzeugt warmes Wasser von 90 grd C durch Erwärmung des Rücklaufwassers von 40 auf 9 0 g rd C. Daζu w i r d i η d i e Br ennkammer eine Kohleraeη ge νοπ 562 g Kahle je Sekunde eingegeben mit einer Luftmenge von 2,52 cbm/s, wobei eine Vergasungsgasmenge von 3,26 cbm/s entsteht« Die Vergasung geschieht in einer V e r g a s u η g s k a m m e r , d i e voll isoliert ist. mit einer A u s k1e i duη g aus Si1i ζ i um kar bid.

Die in der Vergasungskammer flüssig anfallende Schlacke gelangt am unteren Ende ver Vergasungskammer in ein Wasserbad und bildet dort ein Granulat, daf-^; von dort entsorgt wird.
Das mit 1800 grd C aus der Vergasungskammer austretende Vergasungsgas kühlt sich in einem Strahl raum auf 1100 grd C ab, wobei sich das Wasser in den Wänden von 40 grd C auf 54 grd C erwärmt.

Das so abgekühlte Rauchgas mit den nicht mehr teigigen Feststofftei1chen tritt in den Luftvorwärmer ein, wo es sich auf SSO grd abkühlt. Die Luft wird in dieser Luftvorwärmerstufe von 200 auf 500 grd C erwärmt.

Mach der Luftvorwärmung tritt. das Rauchgas in einen Wärmetauscher 1 ein., der die Wassererwärmung fortsetzt von 54 aui 62 grd C, wobei sich das Rauchgas von SSO auf 350 grd C abkühlt. Die Wassermenge, die erwärmt wird ist 71,7 kg/s.

Zur weiteren Abkühlung tritt das Rauchgas in einen zweiten Luftvorwärmer, der die Rauchgase weiter auf 190 grd C abkühlt und die Luft von 30 auf 200 grd C vorwärmt.

Die restliche Abkühlung des Vergasungsgases auf 120 grd C 5 5 w i r d :i. m Gas ν ο r w a r m e r e r r e i c h t, in dem das g e r e i η i cj t. e Vergasungsgas von 50 auf 115 grd C erwärmt wird. Insgesamt sind in der Schmelz kammervergasung 4Θ % der Verbrennungswärme frei geworden und eine Vergasungsgaszu— sammensetzung erreicht worden von 15,5 % CO, 7,7 % C02, 2öO 10,2 % H2, 5~% Wasserdampf und 61,6 7. N2.

Ε'i eseβ 6as wi rd in der aηsch 1 i efseηdeη Staub — uηd Gasreinigung durch ein Elektrofilter und eine Absorptιonskolonne, i η der Kaiksteinsuspension als Absorptionsmittel eingesetzt wird, von den Staub und Schwefel wasserstoff bestandtei len befreit. E'abei kühlt sich das Gas auf 50 qrd C ab.

Nach Wiederaufheizen dieses Vergasungsgases auf 115 grd C in einem Gasvorwärmer, der mit dem Vergasungsgas beheizt wird, gelangt, dieses Gas zusammen mit der vorgewärmten Luft von 300 grd C in die Brennkammer, die mit einer Verbrennungskeramik in Farm von Lochsteinplatten oder Wabenkeramiken ausgestaltet ist,,
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In der Verbrennungskeramik, die aus Cordierit mit Aluminiumoxidüberzug als wash-coat ausgebildet ist, ist eine aktive Substanz von 2 Massenprozenten der keramischen Gesamtmasse als Gemisch von 90 % Lanthancocid und 10 % Ceroxid aufgetragen«

Es stellt sich eine Verbrennungstemperatur von 1250 grd C ei ηu Bei einer stöchiametrischen Luftmengenzugabe ergibt sich eine Gaszuearamensetzung van 16,5 % C02, 12,5 % Wasserdampf und 71 % Stickstoff.

Die Abkühlung des Rauchgases auf die Austritttemperatur von 120 grd C zum Schornstein geschieht in den nachfolgenden Heizflächen für die Luftvorwärmung und Aufheizung des Wassers auf 90 grd C.

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Claims

Patentansprüche

( 1,J Verfahren zur stickoxidarmen Umsetzung von fossilen

^-^ Brennstoffen mit Aschegehalten in einer zweistufigen Verbrennung, bestehend aus einer ersten Verqasungsstufe mit einer partiellen Oxidation zur Erzeugung von Brenngas und einer zweiten Stufe zur Verbrennung des in der ersten Stufe erzeugten Brenngases ist dadurch gekennzeichnet, daß diese Umsetzung in einer Kombination aus einer keramisch isolierten ersten Stufe mit hochvorgewärmter Luft mit flüssigem Ascheabzug erfolgt und die erstandenen Vergasungsgase in einem nachfolgendem Wärmetauschersystem auf niedrige Temperaturen abgekühlt werden, von mitgeführten Feststoffen und Schwefel wasserstoffbestandtei1 en gereinigt und anschließend gemischt mit der restlichen Verbrennungsluft in einer nachfolgenden Verbrennungskeramik vollständig und unter 1300 grd C nahezu stickoKidfrei verbrannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr der Luft in der i. Vergasungsstufe bei Temperaturen zwischen 300 und 700 grd C erfolgt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daft die Vergasungstemperatur bei 1500

bis 1900 grd C erfolgt und die Äscheteilchen flüssig anfallen.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungskammer vol1 keramisch

30' ausgekleidet ist mit beispielsweise so hochwarmfesten und glatten Materialien wie Siliziumnitrit oder Si1iziumkarbi d«
5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungskatalysator der Stufe 2 als aktive Substanz beispielsweise 50 bis 95 7. Lanthan und 5 bis 50 7. Cer enthält.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bestehend aus Vergasungs—, Verbrennungseinrichtungen und Wärmetauscher dadurch gekennzeichnet, daß Wärmetauschflächen und eine Gasreinigung zwischen der Vergasung und der Verbrennung angeordnet sind, die Verbrennungskammer mit einer Verbrennungskeramik bestückt ist und der der Verbrennungskeramik nachgeordnete Raum mit Wärmetauschflächen ausgerüstet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbrennungskammer eine katalytisch beschichtete Keramik enthalten ist,