DE3544425A1 - Verfahren zum verbrennen von festen brennstoffen in einer zirkulierenden wirbelschicht und vorrichtung zum durchfuehren dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von festen Brennstoffen in einer zirkulierenden Wirbelschicht gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Zur Zeit gibt es zwei grundlegende Verfahren zum Verbrennen kohlenstoffhaltiger Materialien in der Schwebe unter Abführen von Verbrennungswärme durch Kühlflächen: (1) Die Wirbelschichtfeuerung mit "stationärer" Wirbelschicht, bei der eine vergleichsweise dichte, das Wirbelbett bildende "Schicht" durch einen deutlichen Dichtesprung vom darüberliegenden, praktisch feststofffreien Gasraum getrennt ist, und (2) das Arbeiten mit einer "zirkulierenden" Wirbelschicht, bei dem der aus dem Wirbelschichtreaktor ausgetragene Feststoff in einem Abscheider vom Rauchgas getrennt und vollständig über eine Rückführleitung in den Wirbelschichtreaktor zurückgeführt wird, während überschüssiger Feststoff abgezogen wird. Mit der stationären Wirbelschicht sind in den meisten Fällen die heutigen Auflagen zur Reinhaltung der Luft nicht mehr einhaltbar. Bekannte, hinsichtlich der Reinhaltung der Luft an sich günstigere Verfahren mit zirkulierenden Wirbelschichten können bei wirtschaftlich vertretbarem Aufwand nur im Leistungsbereich oberhalb von etwa 50 MW_th eingesetzt werden.

Aus der DE-PS 25 39 546 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, bei dem die Anpassung an den jeweiligen Leistungsbedarf dadurch erfolgt, daß die Kühlflächen zumindest im Reaktorraum und gegebenenfalls auch in einem nachgeordneten Fließbettkühler angeordnet sind, wobei zwecks Beeinflussung des Wärmeüberganges an die Kühlflächen oberhalb einer Sekundärgaszuführung eine mittlere Suspensionsdichte von 15-100 kg/m³ durch Einstellen der Fluidisierungs- und Sekundärgasmenge geschaffen wird und die Verbrennungswärme überwiegend mittels der oberhalb des Sekundärgaszuführung innerhalb des freien Reaktorraumes befindlichen Kühlflächen abgeführt wird. Durch diese Verfahrensweise sollen neben der für zirkulierende Wirbelschichten charakteristischen Temperaturkonstanz im gesamten Zirkulationssystem eine gleichmäßige Verbrennung bei geringer Stickoxidentwicklung und eine rasche und gute Verteilung des eingetragenen kohlenstoffhaltigen Materials erreicht werden. Die Anpassung an schwankenden Leistungsbedarf geschieht durch Regelung der Verbrennungsleistung über die Suspensionsdichte im oberen Reaktorabschnitt, und zwar durch Änderung der Fluidisierungs- und Sekundärgasmengen.

Eine großtechnische Anwendung der zirkulierenden Wirbelschicht als Mittel zur Verbrennung fester Brennstoffe konnte für den Leistungsbereich unterhalb von etwa 50 MW_th bisher nicht realisiert werden, da der erforderliche Umgang mit heißer, zu rezirkulierender Asche zu aufwendig erschien, eine für Kleinanlagen verhältnismäßig aufwendige Feuerraumkühlung notwendig ist und bewährte einfache Heizflächensysteme, wie Großwasserraum- oder Steilrohr-Kessel o. ä. nicht eingesetzt werden konnten; schließlich waren auch der regelungstechnische Aufwand und die Anforderungen an das Betriebspersonal relativ hoch.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens zu schaffen, denen die vorerwähnten Nachteile nicht anhaften, und mit denen sich optimale Verbrennungsbedingungen in einem erweiterten Leistungsbereich, insbesondere unterhalb von etwa 50 MW_th mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand einstellen lassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen; eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 6 gekennzeichnet.

Durch die Erfindung entfallen einerseits die bei bekannten Verfahren notwendigen Heißgaszyklone und Feuerraumberohrungen, und es werden einerseits die zur Kühlung der Asche speziell eingesetzten Fließbettkühler überflüssig, und andererseits können selbst im niedrigen Leistungsbereich unterhalb von 50 MW_th bewährte und billige Großwasserraumkessel eingesetzt werden. Ein Großwasserraum-Rauchrohrkessel oder ein Wasserrohrkessel kann dem eigentlichen Wirbelschichtreaktor unmittelbar nachgeschaltet, beispielsweise direkt aufgesetzt werden.

Der überwiegende Teil der zurückgeführten Asche wird aus einem den Kühlflächen nachgeschalteten, also im kalten Teil der Anlage angeordneten Staubabscheidesystem gewonnen. Die aus den Staubabscheidern gewonnene und rückgeführte Aschemenge läßt sich problemlos so regeln, daß die für die Verbrennung und Schadstoffreduzierung optimalen Temperaturen im Wirbelbett aufrechterhalten werden. Eine wesentliche Voraussetzung für eine problemlose Regelung der optimalen Temperaturen durch Rückführung kalter Asche liegt darin, daß der Feuer- bzw. Reaktorraum ganz oder zumindest überwiegend ungekühlt bleibt. In Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, daß die Wärme ausschließlich durch dem Wirbelschichtreaktor nachgeschaltete Kühlflächen abgeführt wird.

Um die optimalen Verbrennungsbedingungen über einen großen Lastbereich insbesondere unterhalb von 50 Mw_th und bei Einsatz fester Brennstoffe in einem breiten Qualitätsbereich, einschließlich Ballastfeinkohle und Abfallbrennstoffen, leichter einstellen zu können, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die abgeschiedene Asche zwischengespeichert und eine von der Brennstoffbeschaffenheit abhängige Aschemenge aus dem Zwischenspeicher ausgespeichert und in den Wirbelschichtreaktor zurückgeführt wird.

Der aus dem Staubabscheidesystem zurückgeführte Teil der Asche hat bei Austritt aus dem Staubabscheidesystem eine Temperatur von weniger als 250°C. Der restliche Teil der zurückgeführten Asche kann sich auf höherer Temperatur, im Extremfall sogar auf Wirbelbettemperatur befinden, wenn er durch Umlenkung in einem heißen Teil des Kreislaufs anfällt. Durch mehrfache Umlenkungen und Abscheiden im kalten Teil des Systems steht Asche mit unterschiedlichen Temperaturen bzw. aus als Zwischenspeicher dienenden Vorratsbehältern zur Verfügung. Die Mengenanteile und Temperaturen der rückgeführten Asche können daher vorzugsweise im Rahmen einer automatischen Mengenregelung derart ausgewählt werden, daß die für die Verbrennung und Schadstoffminimierung optimalen Verbrennungstemperaturen eingehalten werden.

Die Rückführung der abgeschiedenen Asche zur Feuerung kann über eine offene oder eine geschlossene Rückführleitung, so u. a. auch pneumatisch oder mittels eines mechanischen Förderers erfolgen.

Die vorgenannten, erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile bzw. Verfahrensschritte unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption bzw. in ihren Verfahrensbedingungen keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so daß in dem jeweiligen Anwendungsgebiet bekannte Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der drei bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Verbrennungsanlage dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine erste Verbrennungsanlage in schematischer Darstellung;

Fig. 1A eine schematische Schnittansicht entlang der Linie - in Fig. 1 durch den Reaktorraum mit Darstellung der Sekundärgaszuführung;

Fig. 2 eine zweite Verbrennungsanlage in schematischer Darstellung; sowie

Fig. 3 eine dritte Verbrennungsanlage in schematischer Darstellung.

In Fig. 1 bis 3 sind alle gleichwirkenden Bauteile mit denselben Bezugsziffern versehen. Demgemäß ist in allen Ausführungsbeispielen ein mit keramischem Material, insbesondere durch Ausmauern ausgekleideter Wirbelschichtreaktor 1 vorgesehen, dessen Reaktor- oder Feuerraum 2 völlig frei von Kühlflächen ist und einen an sich bekannten Anströmboden 3 für Wirbelgas und mindestens eine oberhalb des Anströmbodens 3 in den Feuerraum 2 mündende Sekundärgasleitung 4 sowie eine Feststoffaufgabevorrichtung 5 aufweist. Durch etwa tangentiale Sekundärgaseinführung in Richtung der Pfeile 4 a in Fig. 1A in die Wirbelschicht wird ein Drall erzeugt, der die Gas-Feststoff- Suspensionen eine die Mischung fördernde Drehbewegung versetzt.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und 2 verläßt das Rauchgas die ungekühlte Wirbelschichtkammer 2 im wesentlichen ohne Umlenkung, strömt innerhalb eines als Großwasserraum- Rauchrohrkessel oder Wasserrohrkessel ausgebildeten Rauchgaskühlers 6 zunächst senkrecht nach oben und gibt erst außerhalb der Wirbelschichtkammer 2 einen ersten Teil seiner Wärme an Kühlflächen 8 ab. Mittels eines nachgeordneten, als Rauchgasumlenker 12 dienenden Rohrbogens o. dgl. wird das Rauchgas nachfolgend um 180° umgelenkt und strömt dann durch eine zweite Stufe des Rauchgaskühlers 6 wieder senkrecht nach unten, wobei es einen weiteren Teil seiner Wärme an Kühlflächen 9 abgibt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten einfachsten Ausführungsform der Verbrennungsanlage gelangt das den Rauchgaskühler 6 verlassende Rauchgas in fallendem Strom in einen Staubabscheider 14, der z. B. als Elektro- oder Schlauch-Filter ausgebildet ist und dessen Rauchgasberührungsflächen 6 zur zusätzlichen Abscheidung von Schadstoffen eine Beschichtung aus katalytisch wirkendem Material aufweisen können.

Das so gereinigte Rauchgas verläßt den Staubabscheider 14 über eine Rauchgasleitung 15, von der es unmittelbar in den Kamin gelangt. Der in dem Staubabscheider 14 insgesamt abgeschiedene, überwiegend aus Asche bestehende Feststoff sammelt sich in mindestens einem Abscheidetrichter 16, der vorzugsweise als Aschevorratsbehälter oder Zwischenspeicher ausgebildet ist. Die im Abscheidetrichter 16 zwischengespeicherte Asche hat durch Kühlung im Kühler 6 eine für den Eintrag in den Reaktorraum geeignete Temperatur im Bereich unterhalb von 250°C erreicht. Sie wird durch mindestens eine an den Abscheidetrichter 16 unten ansetzende Ascheabscheideleitung 20 und eine gegebenenfalls vorhandene, in der Zeichnung nicht eigens dargestellte Dosiervorrichtung einem mit der Feststoffaufgabevorrichtung 5 verbundenen Fördersystem 24 aufgegeben, an dem auch ein Austrag 25 für Überschußasche vorgesehen ist. Der Rückführleitung 24 können auch alle anderen der Feuerung zuzuführenden Materialien, nämlich die Brennstoffe und ggfs. Additive zur Schadstoffminderung, z. B. Kalk, aufgegeben werden. Diese Stoffe bilden gemeinsam innerhalb des Feuerraumes 2 des Wirbelschichtreaktors ein sogenanntes ausgedehntes Bett.

Im Unterschied zur Fig. 1 ist bei der zweiten Ausführungsform der Verbrennungsanlage gemäß Fig. 2 in Strömungsrichtung des Rauchgases zwischen dem Rauchgaskühler 6 und dem Staubabscheider 14 eine Rauchgasumlenkung 13 angeordnet, die den fallenden Rauchgasstrom nach oben umlenkt und in seinem unteren Bereich einen Abscheidetrichter 17 mit nachgeordneter Ascheabscheideleitung 21 aufweist, welche in das als Sammelleitung ausgebildete Fördersystem 24 mündet. Mit den so entstehenden zusätzlichen Aschetrichtern erhöht sich das Volumen des insgesamt verfügbaren Aschevorrats auf der kalten Seite des Verbrennungskreislaufs, so daß stärkere Schwankungen der Wärmebelastung durch bessere Dosierung der Aschemengen und unterschiedliche Aschetemperaturen kompensiert werden können. Außerdem steht so Asche unterschiedlicher Körnung zur Verfügung, die, bedingt durch ihre unterschiedliche Aufenthaltszeit im Feuerraum, mit als Regelgröße herangezogen werden kann. Die Temperatur der über die Leitungen 20 aus den Abscheidetrichtern 16 abgezogenen Asche beträgt etwa 100°C bis 250°C, während die Temperatur der Asche aus der Umlenkung 13 höher liegen kann.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 passiert das Rauchgas nach Verlassen des Wirbelschichtreaktors 1 und vor Eintritt in den Kühler 7, eine Umlenkung 13′, die mit einem Abscheidetrichter 18 und einer Ascherückführleitung 22 ausgestattet ist. Im Rauchgaskühler 7 gibt das Rauchgas im zunächst fallenden Strom einen ersten Teil seiner Wärme an Kühlflächen 10 ab. Am unteren Ende des Rauchgaskühlers 7 ist eine Rauchgasumlenkung 13″ angeordnet, in der das Rauchgas um 180° umgelenkt wird, so daß es nachfolgend im nunmehr steigenden Gasstrom einen weiteren Teil seiner fühlbaren Wärme an Kühlflächen 11 des Rauchgaskühlers 7 abgibt, worauf es, nach weiterer Umlenkung, einen der Fig. 2 entsprechenden Staubabscheider 14 durchströmt.

Der Rauchgasumlenkung 13″ ist ein weiterer Abscheidetrichter 19 mit Ascherückführleitung 23 zugeordnet.

Die Ascheabscheideleitungen 20, 22 und 23 münden in das (Rück) Fördersystem 24, wobei die Temperatur der Asche in den Abscheideleitungen 20 (kalte Seite) etwa 100°C bis 250°C, in der Ascheabscheideleitung 23 etwa 400°C bis 600°C und in der Ascheabscheideleitung 22 etwa 700°C bis 850°C beträgt und - in der Zeichnung nicht eigens dargestellt - Dosiervorrichtungen für dosierten Ascheabzug in den einzelnen Ascheabscheideleitungen oder Abscheidetrichtern vorgesehen sein können.

In allen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Temperatur in der Wirbelschicht auf etwa 850°C gehalten. Vorzugsweise kalte Asche (im Temperaturbereich zwischen 20 und 250°C) wird durch Rückführung aus stets vorhandenen Staubabscheidern 14 und Umlenkern, z. B. 17, in einer der Feuerungsleistung entsprechenden Menge zurückgeführt. Die Feuer- bzw. Reaktorkammer 2 ist stets ungekühlt, d. h. ohne Wärmetauscheinbauten.

Claims (11)

1. Verfahren zum Verbrennen von festen Brennstoffen in einem Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender Wirbelschicht unter Wärmeabführung durch Kühlflächen, wobei der Verbrennungsablauf durch Zuführen von sauerstoffhaltigem Gas, insbesondere von Luft, in mehreren Stufen und in verschiedenen Höhen des Wirbelstromreaktors beeinflußt wird und wobei aus dem Wirbelschichtreaktor ausgetragene Asche abgeschieden und nachfolgend in den Wirbelschichtreaktor zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß abgeschiedene Asche bei einer Temperatur im Bereich zwischen 20 und 250°C in den Wirbelschichtreaktor zurückgeführt und dabei die Menge des zurückgeführten Aschestroms in Abhängigkeit von der Feuerraumtemperatur geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der überwiegende Teil der zurückgeführten Asche aus einem den Kühlflächen nachgeschalteten Staubabscheidesystem gewonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschiedene Asche zwischengespeichert wird, um damit die Feuerraumtemperatur in allen Betriebspunkten durch Zu- oder Abfuhr von Asche in und aus dem Zwischenspeicher regeln zu können.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme ausschließlich durch dem Wirbelschichtreaktor nachgeschaltete Kühlflächen abgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der Feuerung zuzuführenden Feststoffe gemischt und über einen gemeinsamen Eintrag in den Reaktorraum eingeleitet werden.

6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein ungekühlter Reaktorraum (2), ein vorzugsweise vertikal durchströmter, Kühlflächen (8, 9; 10, 11) aufweisender Rauchgaskühler (6; 7) und ein filternder Staubabscheider (14) in Strömungsrichtung des Rauchgases hintereinander angeordnet sind und zur Rückführung der Asche wenigstens eine mit dem Reaktorraum (2) verbundene Ascherückführung (20, 21, 22, 23) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorraum (2) mit keramischem Material ausgekleidet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauchgaskühler (6; 7) ein Großwasserraum- Rauchrohrkessel oder ein Wasserrohr-Kessel ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Reaktorraum (2) und dem Staubabscheider (14) mindestens eine Umlenkung (13; 13′; 13″) angeordnet ist und daß aus den vorhandenen Umlenkungen weitere Asche höherer Temperatur abgezweigt und in den Reaktorraum (2) über Ascheleitungen (21, 22, 23) zurückgeführt wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch als Zwischenspeicher ausgebildete, dem Reaktorraum (2) nachgeordnete Ascheabscheidetrichter (17; 18, 19).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Staubabscheider (14) eine Beschichtung aus katalytisch wirkendem Material aufweist.