DE3603117A1 - Verfahren zum abscheiden dispergierter teilchen aus staubhaltigen verbrennungsgasen und heizeinrichtung fuer staubfuehrende verbrennungsgase - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abscheiden dispergierter Teilchen aus staub­ haltigen Verbrennungsgasen, deren Wärme zu Heizungszwecken abgeführt wird. Das Verfahren dient insbesondere zur Entstaubung solcher Verbrennungsgase, die bei der Verbrennung staub­ förmigen Brennstoffs entstehen, also beispielsweise bei der Verbrennung von Staubkohle. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Heizungseinrichtung für staubführende Verbrennungsgase.

Die Verwendung von Staubkohle in Feuerungsanlagen ist bekannt. Nachteilig ist der dabei entstehende hohe Anteil von Flugasche, der aus den Verbren­ nungsgasen zu entfernen ist, ehe diese in die Umgebung abströmen. Die Vorschriften für die Abgaswerte am Schornsteineintritt sind durch die TA-Luft (Technische Anleitung-Luft) vorgegeben.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Reinigung staubhaltiger heißer Verbrennungsgase bereits während der Phase des Wärmeübergangs vom Verbrennungsgas auf das Heizmedium vorzunehmen, d.h. während der Abkühlungsphase des staubhaltigen Verbrennungsgases.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei dem eingangs beschriebenen Verfahren durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Danach wird das aus der Verbrennungskammer abströmende heiße Verbrennungsgas in einen Wärmeübertrager geführt, dessen Wand oder dessen Wände auf ihrer dem Verbrennungsgas zugewandten Oberfläche von einem Flüssigkeitsfilm benetzt sind. Die Flüssigkeit erwärmt sich im Wärmeaustausch mit dem Verbrennungsgas und leitet dessen Wärme weiter zur Wand oder zu den Wänden des Wärmeüber­ tragers weiter. Die Wärme wird vom Heizmedium aufgenommen, das im Wärmeübertrager strömt. Der Flüssigkeitsfilm dient bei seiner Berührung mit dem Verbrennungsgas zugleich aber auch zur Entnahme der Ascheteilchen, die vom Ver­ brennungsgas mitgeführt werden. Die die Ascheteilchen enthaltende Flüssigkeit wird unterhalb des Wärmeübertragers aufgefangen und abgeführt. Es wird so eine Entaschung der Verbrennungsgase erreicht. Die Verbrennungsgase strömen ascheteilchen­ frei in die Umgebung ab.

Bevorzugt wird der Flüssigkeitsfilm noch vor Eintritt in den Wärmeübertrager in einem Vorwärmer vom Verbrennungsgas erhitzt, Patentanspruch 2. Der Flüssigkeitsfilm wird dabei unter teilweiser Verdampfung auf eine Temperatur gebracht, die ausreichend ist, um das Heizmedium auf die gewünschte Vorlauftemperatur im Heizungssystem zu bringen. Der gebildete Sattdampf bindet im Verbrennungsgas enthaltene Teilchen, die bei Rückkondensation des Dampfes vom Flüssigkeitsfilm aufgenommen werden und in die Flüssigkeit gelangen. Die teilweise Verdampfung des Flüssigkeitsfilms und Rückkondensation im Wärmeübertrager erhöht somit den gewünschten Reinigungseffekt. Eine weitgehende Kondensation des im Verbrennungsgas gebildeten Dampfes wird gemäß Patentanspruch 3 durch Abkühlung des Flüssigkeitsfilms und der Verbrennungsgase im Wärmeübertrager bis auf etwa Eingangstemperatur der in den Wärmeübertrager eintretenden und aufzuheizenden Flüssigkeit erreicht.

In weiterer Ausbildung der Erfindung nach Patent­ anspruch 4 ist vorgesehen, aus der abgeführten Flüssigkeit die darin enthaltenen abgeschiedenen Teilchen abzutrennen und die gereinigte Flüssigkeit zur Ausbildung des Flüssigkeitsfilms zurückzuführen. Durch Verdampfen oder zur Teilchenabtrennung verbrauchter Flüssigkeitsanteil wird durch Zufuhr frischer Flüssigkeit in den Flüssigkeits­ kreislauf ersetzt, Patentanspruch 5.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren und eine Heizungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist, anhand eines in der Zeichnung schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt im einzelnen:

Fig. 1 Heizeinrichtung, Funktionsschema;

Fig. 2 Perspektivische Darstellung eines Wärmeübertragerblockes mit Vorwärmer, Wärmeübertrager und Abtrenneinrichtung für im Kreislauf geförderte Film­ flüssigkeit.

Fig. 1 zeigt eine senkrecht von oben nach unten von staubhaltigem Verbrennungsgas durchströmte Heizeinrichtung. Am Kopf der Heizeinrichtung befindet sich eine Brennkammer 1 mit einer Zufuhr 2 für staubförmigen Brennstoff, beispiels­ weise Staubkoks, und mit einem Anschluß 3 für Verbrennungsluft. Staubförmiger Brennstoff und Verbrennungsluft werden in einer Mischkammer 4 zu einem zündfähigen Gemisch aufbereitet und in der Brennkammer 1 gezündet. Für den Start befindet sich in der Brennkammer 1 eine Zünd­ einrichtung 5.

Das aus der Brennkammer 1 abströmende heiße und Aschestaub enthaltende Verbrennungsgas wird in einen Vorwärmer 6 und anschließend durch einen rekuperativen Wärmeübertrager 7 geführt, der zur Erhitzung eines Heizmediums dient. Das Heizmedium wird in Leitungen 8 im Ausführungsbeispiel im Gegenstrom zum Verbrennungs­ gas durch den Wärmeübertrager 7 gefördert. Hierzu befindet sich für das Heizmedium im unteren Bereich des Wärmeübertragers 7 ein Zufluß 9, im oberen Bereich eine Entnahmestelle 10, an der das Heizmedium auf Vorlauftemperatur erhitzt abgeführt wird.

Im Wärmeübertrager 7 rieselt auf Wänden 11, die Strömungskanäle 12 für das heiße Verbrennungsgas begrenzen und die für einen optimalen Wärmedurchgang zum Heizmedium hin ausgelegt sind, ein Flüssig­ keitsfilm 13 herab. In Fig. 1 und 2 ist der Flüs­ sigkeitsfilm 13 schematisch durch eine durchgezogene Linie markiert. Der Flüssigkeitsfilm wird im Ausfüh­ rungsbeispiel im Vorwärmer 6 ausgebildet, dessen Verbrennungsgasleitungen 14 fluchtend zu den Strömungskanälen 12 im Wärmeübertrager 7 verlaufen. Begrenzungswände 15 der Verbrennungsgasleitungen 14 gehen deshalb vom Vorwärmer 6 unmittelbar in die Wände 11 des Wärmeübertragers 7 über. Die Begrenzungswände 15 im Vorwärmer 6 weisen Hohlräume 16 auf, s. Fig. 2, in denen die den Flüssigkeitsfilm bildende Flüssigkeit im Gegenstrom zum Verbrennungsgas in den Vorwärmer 6 einströmt. Vom Eingang 17 am Vorwärmer fließt die Flüssigkeit zu Ausgängen 18 der Hohlräume 16, quillt dort über und läuft unter Ausbildung eines Flüssigkeitsfilms in den Verbrennungsgasleitungen 14 herab. Dabei erhitzt sich die Flüssigkeit im Wärmeaustausch mit dem aus der Brennkammer 1 abströmenden heißen Verbrennungsgas und verdampft teilweise. Der verdampfende Teil 19 der Flüssigkeit ist durch strichlinierten Linienzug wiedergegeben. Die nicht verdampfte Flüssigkeit strömt von den Begrenzungswänden 15 im Vorwärmer 6 in den Wärmeübertrager 7 und benetzt hier die Oberfläche der Wände 11 in den Strömungskanälen 12.

Im Flüssigkeitsfilm 13 sammeln sich vom Ver­ brennungsgas mitgeführte Teilchen 20, die bei Berührung des Verbrennungsgases mit der Oberfläche des Flüssigkeitsfilms von der Flüssigkeit aufgenommen und abgeführt werden. Gleichfalls werden auch von dem im Vorwärmer 6 entstandenen Sattdampf Staubpartikeln gebunden. Der im Vorwärmer 6 gebildete Flüssigkeitsdampf wird durch Wärme­ abgabe an das Heizmedium im Wärmeübertrager 7 durch Kondensation wieder in den Flüssigkeitsfilm zurückgeführt. Dieser rückkondensierende Anteil 13′ der zugeführten Flüssigkeit ist schematisch durch strichpunktierte Linienzüge angedeutet. Mit der Kondensation werden auch die im Sattdampf gebundenen Staubpartikeln von der Flüssigkeit aufgenommen. Im gereinigten Verbrennungsgas verbleibender Dampf strömt mit dem Verbrennungsgas über den Abgasstutzen 21 in einen in der Zeichnung nicht dargestellten Schornstein ab.

Die aus dem Wärmeübertrager 7 ablaufende Flüssigkeit, die die abgeschiedenen Teilchen enthält, sammelt sich in einer Auffangeinrichtung, die in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 durch einen Abzugsraum 22 und ein die Flüssigkeit aufnehmendes Absetzbecken 24 gebildet wird. Im Absetzbecken 24 sinken die Teilchen 20 zu dessen trichterförmig ausgebildeten Boden 25 und lassen sich von dort kontinuierlich oder periodisch nach Öffnen eines Hahnes 26 in einen in der Zeichnung nicht dargestellten Entsorgungs­ behälter abfüllen. Die oberhalb der abgesetzten Teilchen verbleibende Flüssigkeit wird von dort von einer Flüssigkeitspumpe 27 abgesaugt und im Kreislauf über in der Zeichnung angedeuteten Förderleitungen 28 zum Eingang 17 am Vorwärmer 6 zurückgeführt.

Der mit dem Verbrennungsgas abströmende Restdampf und die beim Ablassen des Rückstandes aus dem Absetzbecken 24 aus dem Flüssigkeitskreislauf verlorengehende Flüssigkeit wird durch Zufuhr frischer Flüssigkeit ersetzt. Die Zufuhr wird mittels eines absperrbaren Ventils 29 geregelt, das sich am Ende einer Flüssigkeitsleitung 30 befindet. Im Ausführungsbeispiel ist ein Schwimmer­ ventil eingesetzt, das sich in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsspiegel 31 im Absatzbecken 24 selbsttätig öffnet und schließt. Die frische Flüssigkeit strömt im Ausführungsbeispiel in das Absetzbecken 24 ein. Sie kann selbstver­ ständlich auch direkt in die Förderleitung 28 eingeführt werden.

In Fig. 2 ist ein Wärmeübertragerblock mit Vorwärmer 6, Wärmeübertrager 7 und Auffangeinrichtung (Abzugsraum 22 und Absetzbecken 24) in perspek­ tivischer Darstellung wiedergegeben. Der Wärme­ übertragerblock besteht aus korrosionsfester Keramik. Geeignet sind beispielsweise Siliciumcarbid oder Siliciumnitrit. Im Wärmeübertragerblock sind alle Strömungsräume für die Medien, also sowohl die Verbrennungsgasleitungen 14 im Vorwärmer 6 und die mit ihnen fluchtenden Strömungskanäle 12 im Wärmeübertrager 7 als auch die Leitungen 8 für das Heizmedium und die Hohlräume 16 für die Zufuhr der Flüssigkeit im Vorwärmer 6, schlitzförmig ausgebildet. Am Wärmeübertragerblock sind stirnseitig - neben den schlitzförmigen Öffnungen für die Verbrennungsgasleitungen 14 zum Eintritt des Verbrennungsgases - die Ausgänge 18 für die den Flüssigkeitsfilm bildende Flüssigkeit sichtbar. Gestrichelte Strömungslinien 32 markieren in Fig. 2 den Strömungsverlauf der Flüssigkeit in den Hohlräumen 16 des Vorwärmers 6. Die Eingänge 17 für die Zufuhr von Flüssigkeit zum Vorwärmer 6 befinden sich in einer Seitenwand 33 des Wärmeübertragerblocks. Unterhalb dieser Eingänge 17 sind die Entnahmestellen 10 für das im Wärmeübertrager 7 erhitzte Heizmedium angeordnet. Das Heizmedium wird nach Wärmeabgabe an Verbraucher im Heizungskreislauf zu den Zuflüssen 9 des Wärmeübertragers 7 zurückgeführt.

Neben Flüssigkeitsfilm 13 und verdampfendem Teil 19 der Flüssigkeit ist in Fig. 2 punktiert auch der Weg 20′ der im Verbrennungsgas enthaltenen Teilchen zum Flüssigkeitsfilm markiert.

Durch zeichnerisches Aufbrechen einer Frontplatte 34 ist aus Fig. 2 auch der fluchtende Verlauf der Begrenzungswände 15 im Vorwärmer 6 und der Wände 11 des Wärmeübertragers 7 ersichtlich. Die Verbrennungsgasleitungen 14 und sich daran anschließende Strömungskanäle 12 gehen zur Führung des Verbrennungsgases und des Flüssig­ keitsfilms im Vorwärmer 6 und Wärmeübertrager 7 fluchtend ineinander über.

Unterhalb des Wärmeübertragers 7 befinden sich im Wärmeübertragerblock noch der Abzugsraum 22 und als unterer Abschluß das trichterförmige Absatzbecken 24 mit Hahn 26. Am Abzugsraum 22 ist der Abgasstutzen 21 angeschlossen. Der Übersichtlichkeit halber sind in Fig. 2 noch die Flüssigkeitspumpe 27 mit den Förderleitungen 28 zur Rückführung der Filmflüssigkeit im Kreislauf eingezeichnet.

Im Ausführungsbeispiel wird für den Flüssigkeitsfilm Wasser verwendet. Das Wasser tritt in den Vorwärmer 6 mit etwa 60°C ein. Die eingeführte Wassermenge ist derart bemessen, daß der an den Begrenzungs­ wänden 15 herabrieselnde Flüssigkeitsfilm unter teilweiser Verdampfung der Flüssigkeit bis zum Übertritt in den Wärmeübertrager 7 auf ca. 80°C erhitzt wird. Von nun an sinkt die Temperatur im Flüssigkeitsfilm wieder bis auf eine Wassertemperatur von ca. 60°C am kalten Ende des Wärmeübertragers im Bereich des Zuflusses 9 für das Heizmedium. Im Ausführungsbeispiel wird im Wärmeübertrager 7 Heizungswasser erhitzt. Das Heizungswasser strömt mit ca. 40°C in den Wärmeübertrager 7 ein und wird mit einer Vorlauftemperatur von ca. 55°C entnommen.

Bei Abkühlung des Verbrennungsgases im Wärme­ übertrager 7 bis auf ca. 60°C enthält das Abgas zwar noch eine Restdampfmenge, der größte Teil des im Vorwärmer 6 gebildeten Dampfes wird jedoch wieder rückkondensiert. Bezogen auf die bei Verbrennung von Staubkoks anfallende Aschemenge, die vom Verbrennungsgas aus der Brennkammer mitgeführt wird, lassen sich bei oben angegebener Auslegung etwa 80mal größere Dampfmengen in den Strömungskanälen 12 und etwa 800mal größere Wassermengen zur Ausbildung des Flüssigkeitsfilms einsetzen. Es wird so bei der Abkühlung des Verbrennungsgases im Wärmeübertrager ein erheblicher Anteil des bei der Verbrennung der Staubkohle entstandenen Staubes abgeschieden und aus der Heizungseinrichtung in der Filmflüssigkeit dispergiert abgezogen.

Claims (14)

1. Verfahren zum Abscheiden dispergierter Teilchen aus staubhaltigen, zur Erzeugung von Heizwärme dienenden Verbrennungsgasen, insbesondere aus Verbrennungsgasen, die in einer Verbrennungskammer beim Verbrennen staubförmigen Brennstoffs entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Verbrennungskammer abströmende heiße Verbrennungsgas in einen Wärmeübertrager geführt wird, dessen Wand oder dessen Wände auf ihrer dem Verbrennungsgas zugewandten Oberfläche von einem Flüssigkeitsfilm benetzt sind, und daß die den Flüssigkeitsfilm bildende Flüssig­ keit unterhalb des Wärmeübertragers zusammen mit aus dem Verbrennungsgas abgeschiedenen Teilchen aufgefangen und abgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsfilm vom Verbrennungsgas in einem Vorwärmer noch vor Kontakt mit der Wand oder den Wänden des Wärmeübertragers erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Verbrennungsgas und Flüssigkeitsfilm im Wärmeübertrager bis auf etwa Eingangstemperatur der Flüssigkeit am Vorwärmer abgekühlt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der abgeführten Flüssigkeit von abgeschiedenen Teilchen gereinigt und im Kreislauf zur Ausbildung des Flüssigkeitsfilms zur Berieselung der Wand oder der Wände des Wärmetauschers zurückgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der im Kreislauf nicht zurückgeführte Flüs­ sigkeitsanteil durch frische Flüssigkeit ersetzt wird.

6. Heizungseinrichtung zum Verbrennen staubförmigen Brennstoffs in einer Verbrennungskammer mit nachgeschaltetem rekuperativen Wärmeübertrager, der von einer Wärmeaustauschwand getrennte Strömungskanäle für Verbrennungsgas und ein zu erhitzendes Medium aufweist, und bei dem im Verbrennungsgas dispergierte Teilchen vor Ableiten der Abgase in die Umgebung abgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschwand (11) auf ihrer vom Verbrennungsgas umströmten Seite mit einem Flüssigkeitsfilm (13) berieselbar ist und daß unterhalb der Wärmeaustauschwand (11) eine Auffangeinrichtung (22, 24) zur Aufnahme von Flüssigkeitsfilm bildender Flüssig­ keit zusammen mit den aus dem Verbrennungsgas abgeschiedenen Teilchen vorgesehen ist.

7. Heizungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wärmeübertrager (7) ein vom Verbrennungsgas durchströmbarer Vorwärmer (6) für die zur Berieselung der Wärmeaustauschwand (11) dienende Flüssigkeit vorgeschaltet ist.

8. Heizungseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückführung der zur Berieselung der Wärmeaustauschwand dienenden Flüssigkeit an der Auffangeinrichtung (22, 24) eine Förderleitung (28) zur Aufnahme der von mitge­ führten Teilchen gereinigten Flüssigkeit ange­ schlossen ist.

9. Heizungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in die Auffangeinrichtung (24) oder in die Förderleitung (28) eine absperrbare Flüssig­ keitsleitung (30) zur Zufuhr frischer Flüssigkeit mündet.

10. Heizungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Vorwärmer (6) Hohlräume (16) zur Vorwärmung der zu den Strömungskanälen (12) des Verbrennungs­ gases geführten Flüssigkeit vorgesehen sind.

11. Heizungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager (7) mehrere parallel verlaufende, schlitzförmige Strömungskanäle (8, 12) für aufzuheizendes Medium und Verbrennungs­ gas aufweist und daß der Flüssigkeitsfilm (13) die Flächen der Längsseiten der Strömungskanäle (12) für das Verbrennungsgas benetzt.

12. Heizungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärmer (6) mehrere parallel verlaufende, schlitzförmige Strömungskanäle (14, 16) für Verbrennungsgas und Flüssigkeit aufweist, und daß der von der Flüssigkeit gebildete Flüssigkeitsfilm die Flächen der Längsseiten der Strömungskanäle (14) für das Verbrennungsgas benetzt.

13. Heizungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager (7) und der Vorwärmer (6) so miteinander verbunden sind, daß ihre Strömungs­ kanäle (12, 14) für das Verbrennungsgas zueinander fluchtend verlaufen.

14. Heizungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Verbrennungsgas und Flüssigkeit im Vorwärmer (6) im Gegenstrom geführt sind.