DE3701798A1 - Dampferzeugeranlage mit einem kohlebefeuerten dampferzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dampferzeugeranlage mit einem kohlebefeuerten Dampferzeuger, einem Frischluftgebläse, einer Entstaubungsanlage und einer Rauchgasentschwefelungs­ anlage.

Solche Dampferzeugeranlagen sind bekannt. Ihre Schadstoffemis­ sionen würden ohne Nachbehandlung der Rauchgase, d.h. ohne Sekundärmaßnahmen in der Regel die vom Gesetzgeber vorgegebenen Grenzwerte übersteigen. Die hierfür bekannten Sekundärmaßnahmen, wie z.B. Entstaubungsanlagen, Rauchgasentschwefelungsanlagen und DENOX-Katalysatoren, erhöhen jedoch die Investitions- und Betriebsmittelkosten in erheblichem Maße.

Außer diesen oben angedeuteten Sekundärmaßnahmen sind jedoch auch Primärmaßnahmen zur Verminderung der Schadstoffemission bekannt. Das sind Maßnahmen, die die Verbrennungsanlagen selbst betreffen und die den Schadstoffausstoß der Verbrennungsanlagen selbst von vornherein vermindern. So können z.B. NO _x -arme Brenner, Wirbelschichtfeuerungsanlagen mit Wärmetauscherheizflächen so­ wie das Exxon-Verfahren zum Einsatz kommen. Alle diese Maßnahmen sind jedoch mit verschiedenen Nachteilen verbunden und können den Schadstoffausstoß nur teilweise vermindern, ohne jedoch Sekundärmaßnahmen überflüssig zu machen. So sind u.a. Wärme­ tauscherheizflächen in Wirbelschichtfeuerungsanlagen so starker Erosion und Korrosion ausgesetzt, daß sie sich nicht für den Dauerbetrieb eignen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampferzeuger­ anlage mit einem kohlebefeuerten Dampferzeuger zu entwickeln, in dem gar nicht erst größere Mengen an Stickoxiden entstehen und die daher eine entsprechende DENOX-Anlage im Rauchgasstrom überflüssig macht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Ansprüchen 2 bis 15 zu entnehmen.

Infolge der gasseitigen Vorschaltung einer Wirbelbrennkammer ohne Wärmetauscherheizflächen vor dem kohlebefeuerten Dampfer­ zeuger und der Regelung der Betriebstemperatur der Wirbelschicht durch die Regelung des Stoffumsatzes wird es möglich, die NO _x -Emission primärseitig sehr viel stärker zu reduzieren als bei allen anderen bekannten Verfahren. Die Verwendung einer Wirbelbrennkammer ohne eingebaute Wärmetauscherheizflächen ermöglicht es, mit einer reduzierenden, d.h. sauerstoffarmen Wirbelschicht zu arbeiten, ohne eine Auskühlung der Wirbelschicht befürchten zu müssen. Außerdem hat das zur Folge, daß die Tem­ peratur in der gesamten Wirbelschicht mangels zusätzlicher lokaler Temperatursenken auf den geringstmöglichen Wert ein­ gestellt werden kann und somit allein schon die NO _x -Bildungs­ rate in der Wirbelbrennkammer temperaturbedingt relativ gering bleibt. Darüber hinaus erschwert die reduzierende Atmosphäre der Wirbelschicht zusätzlich die Bildung von Stickoxiden.

Die Temperaturabsenkung in der Wirbelschicht läßt sich ohne Gefahr des Verlöschens der Verbrennung noch weiter treiben, wenn die Wirbelbrennkammer in Weiterbildung der Erfindung ohne gekühlte Umfassungswände ausgeführt ist. Das Fehlen auch dieser Temperaturabsenke erlaubt es, die Temperatur der Wirbelschicht bis nahe an die Zündtemperatur zu führen und infolge dieser weiteren Temperaturabsenkungen die Stickoxidbildungsrate noch weiter zu verringern.

Die Temperatur in der Wirbelbrennkammer läßt sich in besonders zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung durch Einleitung ge­ reinigter, kalter Rauchgase des Dampferzeugers in die Wirbel­ brennkammer auf einen Wert einstellen, bei dem die Bildungsrate von Stickoxiden allein schon aus thermischen Gründen stark herab­ gesetzt ist. Zugleich ist so aber auch der Heizwert der die Wir­ belbrennkammer verlassenden Gase auf einen Wert einstellbar, bei dem im nachgeschalteten Dampferzeuger bei deren Verbrennung keine unerwünscht hohen Temperaturen entstehen.

Die Temperatur in der Wirbelschicht läßt sich in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung durch Beimischung von gereinigten kalten Rauchgasen des Dampferzeugers zu der zum Düsenboden strömenden Verbrennungsluft einstellen. Durch die Menge der beigemischten Rauchgase wird zugleich auch ein Teil des durch den Düsenboden aufströmenden Sauerstoffs substituiert. Dadurch läßt sich der Sauerstoffgehalt in der Wirbelschicht und damit der Grad der unterstöchiometrischen Verbrennung in der Wirbel­ schicht beeinflussen. Dies wiederum hat einen wegen des Sauer­ stoffmangels günstigen Effekt auf die Unterdrückung der Stickoxidbildung.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt die Figur eine erfindungsgemäße Dampferzeugeranlage.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau der er­ findungsgemäßen Dampferzeugeranlage 1. Diese besteht aus einem Dampferzeuger 2, der im Ausführungsbeispiel mit einer Kohlen­ staubfeuerung 3 ausgestattet ist. Die Umfassungswände 4 des Dampf­ erzeugers 2 sind als Flossenrohrwände ausgebildet und in an sich bekannter Weise zusammen mit den übrigen Wärmetauscherheiz­ flächen 5, 6, 7 des Dampferzeugers an einen hier nicht weiter darge­ stellten Wasserdampfkreislauf angeschlossen. An der den Dampf­ erzeuger verlassenden und zum Kamin 8 führenden Rauchgasleitung 9 sind ein Staubfilter 10, ein Saugzuggebläse 11 und eine Rauchgas­ entschwefelungsanlage 12 angeschlossen.

Dem Dampferzeuger 2 ist gasseitig eine Wirbelbrennkammer 13 mit stationärer Wirbelschicht 14 vorgeschaltet. Deren Düsenboden 15 ist an eine Gasleitung 16 angeschlossen, die mit einem Zweig an den die Rauchgasentschwefelungsanlage 12 verlassenden Teil der Rauchgasleitung 9 und mit einem anderen Zweig an eine Frischluft­ ansaugöffnung 17 angeschlossen ist. In dieser Gasleitung 16 ist ein Gasverdichter 18 zur Erzeugung der nötigen Druckdifferenz am Düsenboden 15 eingebaut. Sowohl in dem zur Rauchgasleitung als auch zu dem zur Frischluftansaugöffnung 17 führenden Zweig der Gasleitung 16 ist je ein Regelventil 19, 20 eingebaut. Die Wir­ belbrennkammer 13 ist darüber hinaus oberhalb der stationären Wirbelschicht 14 über eine zusätzliche Gasleitung 21 mit der Rauchgasleitung 9 verbunden. Diese zweigt unmittelbar hinter dem Saugzuggebläse 11 von der Rauchgasleitung 9 ab. Auch in dieser zusätzlichen Gasleitung ist ein Regelventil 22 eingebaut. Darüber hinaus ist die Wirbelbrennkammer 13 an eine Brennstoff­ versorgungsleitung 23 angeschlossen, die ihrerseits wiederum mit einem Kohlebunker 24 und einem Kalkbunker 25 verbunden ist.

Die Abgasleitung 26 der Wirbelbrennkammer 13 mündet am unteren Ende des Dampferzeugers 2. Oberhalb der Ebene der Mündungen der Abgasleitungen 26 der Wirbelbrennkammer 13 im Dampferzeuger 2 ist der Brenner 27 der Kohlenstaubfeuerung 3 in der Umfassungs­ wand 4 des Dampferzeugers 2 eingebaut. Der Brenner 27 ist über eine Brennstoffleitung 28 an einen Kohlebunker 29 und über eine Frischluftleitung an ein Frischluftgebläse 31 angeschlossen.

Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die beiden Gasleitungen 16, 21 über eine gestrichelt angedeutete Shuntleitung 32 zu ver­ binden. Auch kann die Dampferzeugeranlage 1 mit einer weiteren gestrichelt angedeuteten Hilfsleitung 33 ausgerüstet sein, die einerseits an die Gasleitung 16 unmittelbar vor dem Gasver­ dichter 18 anschließt und diese mit der Frischluftleitung 30 des Dampferzeugers verbindet. In diese Hilfsleitung 33 ist ein Rauchgasgebläse 34 eingebaut.

Beim Betrieb der Dampferzeugeranlage 1 wird dem Kohlebunker 29 feingemahlene Kohle entnommen und zusammen mit der vom Frisch­ luftgebläse 31 geförderten Frischluft dem Kohlenstaubbrenner 27 zugeführt. Die sich bei der Verbrennung bildenden heißen Rauch­ gase durchströmen den Dampferzeuger 2, heizen dabei dessen Um­ fassungswände 4 und die in den Dampferzeuger hineinragenden Wärmetauscherheizflächen 5, 6, 7 auf und verlassen den Dampfer­ zeuger stark abgekühlt über die Rauchgasleitung 9. In dem an der Rauchgasleitung angeschlossenen Staubfilter 10, im Ausfüh­ rungsbeispiel ein Elektrofilter, werden die Staubpartikel zu­ rückgehalten. Das das Staubfilter verlassende entstaubte Rauch­ gas wird über das Saugzuggebläse 11 in die Rauchgasentschwe­ felungsanlage 12 gedrückt und dort von den verbliebenen Schwe­ felbestandteilen befreit und in den Kamin 8 entlassen.

Über die an die Rauchgasleitung 9 zwischen der Rauchgasent­ schwefelungsanlage 12 und dem Kamin 8 abzweigende Gasleitung 16 wird Rauchgas über den Gasverdichter 18 angesaugt und durch den Düsenboden 15 der Wirbelbrennkammer 13 gedrückt. Diesem Rauch­ gas ist zuvor über die Frischluftansaugöffnung 17 Frischluft beigemischt worden. Das erforderliche Mischungsverhältnis, d.h. der erforderliche Sauerstoffgehalt, läßt sich durch die sowohl an der Frischluftansaugöffnung 17 als auch in den zur Rauchgas­ leitung 9 führende Zweige der Gasleitung 16 eingebauten Regel­ ventile 19, 20 einstellen. Über die Brennstoffversorgungsleitung 23 wird der Wirbelbrennkammer 13 feingemahlene Kohle sowie eine vorgegebene Menge Kalk zugeführt. Die in die Wirbelbrennkammer eingeführten Kohlenpartikel oxidieren in der Wirbelschicht 14, wobei infolge der unterstöchiometrischen Sauerstoffzugabe über­ wiegend Kohlenmonoxid entsteht. Der im Brennstoff enthaltene Schwefel wird durch den der Kohle beigemischten Kalk noch in der Wirbelschicht zu Gips gebunden und mit der Asche in hier nicht weiter dargestellter Weise abgeführt. Die zur Einbindung des Schwefels zuvor erforderliche Oxidation desselben begrenzt das Ausmaß der unterstöchiometrischen Sauerstoffbeigabe in der Wirbelschicht. Oberhalb der Wirbelschicht läßt sich dann die Bildung von Stickoxiden durch Zugabe größerer Mengen von Rauch­ gasen über die zusätzliche Gasleitung 21 nicht nur stoppen, sondern sogar in geringfügigem Maße bereits gebildete Stick­ oxide reduzieren. Darüber hinaus kann die Temperatur in der Wirbelbrennkammer durch die Zumischung kühler Rauchgase abge­ senkt und auf diese Weise die Bildungsrate von Stickoxiden weiter herabgesetzt werden.

Um die Temperatur in der Wirbelschicht auf den geringstmöglichen Wert zu halten, ist die Wirbelbrennkammer ohne gekühlte Umfas­ sungswände und ohne sonstige Wärmetauscherheizflächen ausge­ führt. Dadurch werden örtliche Temperatursenken in der Wir­ belschicht vermieden, von denen sonst ein Verlöschen des Um­ satzes in der Wirbelschicht ausgehen könnte. Schließlich führt die Einleitung von Rauchgas über die zusätzliche Leitung 21 dazu, daß der Heizwert des Abgases der Wirbelbrennkammer, das über die Abgasleitung 26 in den Dampferzeuger 2 eingespeist wird, stark herabgesetzt wird. Dies wiederum führt zu einer geringeren Brenntemperatur dieser Gase im Dampferzeuger und setzt auch dort die Stickoxidbildung herab. Der Kohlenstaubbrenner 27 ist seinerseits wiederum die Voraussetzung für die stärkere Beimischung von Rauchgasen aus dem Dampferzeuger 2 zu den Ab­ gasen der Wirbelschicht 14. Denn ohne die Flamme des Kohlenstaub­ brenners könnte sonst das über die Abgasleitung 26 zugeführte extrem heizwertarme Abgas aus der Wirbelbrennkammer nicht zuver­ lässig im Dampferzeuger brennen.

Die Shuntleitung 32 ermöglicht es, der Wirbelbrennkammer 13 wahlweise Rauchgas zuzumischen und dieses vor der Rauchgasentschwefe­ lungsanlage 12 der Rauchgasleitung mit einer etwas höheren Temperatur oder hinter der Rauchgasentschwefelungsanlage mit einer etwas niederen Temperatur zu entnehmen. So läßt sich die Temperatur in der Wirbelbrennkammer zusätzlich zu den bereits geschilderten Maßnahmen regulieren. Schließlich läßt sich auch die Flammtemperatur des Kohlenstaubbrenners 27 des Dampferzeugers 2 dadurch vermindern, daß der Frischluftleitung 30 Rauchgas über die Hilfsleitung 33 beigemischt wird. Hierzu ist in der vor dem Gasverdichter 18 abzweigenden Hilfsleitung ein weiteres Rauchgasgebläse 34 eingebaut.

Es ist ein Vorteil dieser Dampferzeugeranlage 1, daß in der vor­ geschalteten Wirbelschicht 14 bereits ein Großteil des Schwefel­ gehalts durch die Zugabe von Kalk in Gips eingebunden und mit der Asche der Wirbelbrennkammer 13 abgeführt werden kann. Hier­ durch verringert sich der Aufwand für die Rauchgasentschwefelung. Wird dann für den Kohlenstaubbunker 29 noch eine andere, schwefel­ ärmere Kohlensorte benutzt als für den Kohlenbunker 24, so nähert man sich auch ohne Rauchgasentschwefelungsanlage den diesbezüglichen gesetzlich vorgeschrieben Grenzwerten. Des weiteren wird durch die unterstöchiometrische Verbrennung in der Wirbelbrennkammer 13 und der Einleitung abgekühlter Rauch­ gase über die zusätzliche Gasleitung 21 die Temperatur in der Wirbelschicht 14 auf Werte abgesenkt, bei denen sich kaum noch Stickoxide bilden können. Dadurch, daß die Wirbelbrennkammer 13 ohne gekühlte Umfassungswände und Wärmetauscherheizflächen ausgeführt ist, werden lokale Temperatursenken in der Wirbel­ schicht 14 vermieden, was bei diesen niedrigen Temperaturen die Gefahr einer örtlichen Unterkühlung der Wirbelschicht mit der Folge des Verlöschens vermindert. Darüber hinaus wird die Bildungsrate der Stickoxide in der Wirbelschicht 14 auch da­ durch zusätzlich verringert, daß der Wirbelbrennkammer Frisch­ luft in unterstöchiometrischer Menge zugeführt wird. Dieser Sauerstoffmangel behindert die Stickoxidbildung zusätzlich. Die die Wirbelbrennkammer verlassenden Gase, die im wesentlichen aus Kohlenmonoxid bestehen, denen über eine andere Gasleitung zur Heizwertherabsetzung weiteres Rauchgas beigemischt ist, verbrennen in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre des Dampfer­ zeugers mit relativ niedriger Temperatur, so daß auch hier im Dampferzeuger kaum Stickoxide entstehen. Schließlich wird auch die Flamme des Kohlenstaubbrenners 27 des Dampferzeugers 2, die zugleich auch die Abgase der Wirbelbrennkammer 13 verbrennt, selber durch die Zumischung von Rauchgasen aus der Hilfsleitung 33 gekühlt, so daß auch hier kaum Stickoxide entstehen.

Durch die dem Dampferzeuger vorgeschaltete Wirbelbrennkammer und die Verschaltung der einzelnen zur Wirbelbrennkammer führen­ den Gasleitungen sind die Betriebsbedingungen des Dampferzeu­ gers 2 in weiten Grenzen regelbar und werden die Vorteile beider Einzelfeuerungssysteme verstärkt genutzt, um die Bildung von Stickoxiden primärseitig so stark zu unterdrücken, daß sie auch ohne eine dem Rauchgasstrom nachgeschaltete DENOX-Anlage den Imissionsbedingungen genügen kann.

Claims (15)

1. Dampferzeugeranlage mit einem kohlebefeuerten Dampferzeuger, einem Frischluftgebläse, einer Entstaubungsanlage und einer Rauchgasentschwefelungsanlage, dadurch gekennzeichnet, daß dem Dampferzeuger (2) gasseitig eine Wirbelbrennkammer (13) ohne eingebaute Wärmetauscherheizflächen vorgeschaltet ist, deren Betriebstemperatur durch Regelung des Stoffumsatzes einstellbar ist.

2. Dampferzeugeranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelbrennkammer (13) ohne gekühlte Umfassungswände ausgeführt ist.

3. Dampferzeugeranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Wirbelbrennkammer (13) durch Ein­ leitung gereinigter kalter Rauchgase des Dampferzeugers (2) in die Wirbelbrennkammer einstellbar ist.

4. Dampferzeugeranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Wirbelschicht (14) durch Beimischung ge­ reinigter kalter Rauchgase des Dampferzeugers (2) zu der zum Düsenboden (15) strömenden Verbrennungsluft einstellbar ist.

5. Dampferzeugeranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Wirbelschicht (14) über den O₂-Gehalt der Verbrennungsluft einstellbar ist.

6. Dampferzeugeranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Wirbelschicht (14) über den Heizwert der zugegebenen Brennstoffe einstellbar ist.

7. Dampferzeugeranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Wirbelschicht über die Menge der Brenn­ stoffzugabe einstellbar ist.

8. Dampferzeugeranlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Düsenboden (15) führende Gasleitung (16) hinter der Rauchgasentschwefelungsanlage (12) von der Rauchgasleitung (9) des Dampferzeugers (2) abzweigt.

9. Dampferzeugeranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelbrennkammer (13) Rauchgas über eine vor der Rauchgasentschwefelungsanlage (12) abzweigende Leitung (21) zugeführt wird.

10. Dampferzeugeranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rauchgas der Wirbelbrennkammer (13) oberhalb der Wirbelschicht (14) zugeführt wird.

11. Dampferzeugeranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Dampferzeuger (2) zuströmenden Frischluft Rauchgas beimischbar ist.

12. Dampferzeugeranlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das der Dampferzeugerfrischluft beizumischende Rauchgas der Rauchgasleitung (9) hinter der Rauchgasentschwefelungsan­ lage (12) entnommen wird.

13. Dampferzeugeranlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Rauchgas über ein Rauchgasgebläse (34) auf den Gasdruck hinter dem Frischluftgebläse (31) verdichtet wird.

14. Dampferzeugeranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelbrennkammer (13) außer gemahlener Kohle auch noch Kalk zugeführt wird.

15. Dampferzeugeranlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Wirbelbrennkammer (13) mit stationärer Wirbelschicht (14).