DE3708941A1 - Verfahren und vorrichtung zum vorbehandeln von filteraschen aus feuerungsanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbehandeln von Flugstaub oder -asche, insbesondere von Filterasche, die in Feuerungsanlagen nach einer selektiven katalytischen oder nicht-katalytischen NO _x -Reduktion aus staubhaltigen Ver­ brennungsabgasen abgeschieden wird und mit unverbrauchtem Reduktionsmittel oder einer Reduktionsmittelverbindung beladen ist, wobei die Asche in einen Desorber überführt und in diesem auf eine zum Austreiben des gasförmigen Reduktionsmittels erforderliche Temperatur erhitzt wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfah­ rens.

Bei einer Vielzahl von Verfahren zur Entstickung der Abgase kohlegefeuerter Kraftwerke wird den staubhaltigen Verbren­ nungsabgasen ein Reduktionsmittel zur Entfernung von NO _x durch selektive Reduktion ohne oder mit Katalysator zugeführt. Als Reduktionsmittel wird in erster Linie Ammoniak eingesetzt. Bei der Verfahrensführung ist ein Schlupf von unverbrauchtem Reduktionsmittel aus der Reaktionszone, in die es eingebracht wird, unvermeidbar. Es wurde festgestellt, daß sich der Schlupf im Falle von Ammoniak bzw. Ammoniakvorstufen als Re­ duktionsmittel zum überwiegenden Teil als Ammoniumsalzbeladung darstellt, während ein wesentlich geringerer Teil in dem ent­ stickten Rauchgas verbleibt. Die mit Ammoniak oder Ammonium­ salzen beladene Flugasche, die üblicherweise in Elektrofiltern abgeschieden wird, setzt gasförmiges Ammoniak frei, wenn sie angefeuchtet wird und sich alkalische Bedingungen einstellen. Dies geschieht sowohl beim Anfeuchten der Asche zum Zwecke der Deponierung als auch beim Einsatz der Filterasche als Zu­ schlagsstoff für Mörtel und Betone.

Aus der DE-OS 34 25 070 ist es bekannt, die die Filterasche beladenden Ammoniumsalze bei Temperaturen oberhalb von 250°C thermisch zu zersetzen und die Filterasche dabei von Ammoniak im wesentlichen zu befreien. Dies geschieht dadurch, daß der mit Reduktionsmittelverbindungen beladene abgeschiedene Flug­ staub erwärmt und das dabei ausgetriebene Reduktionsmittel mittels eines Trägergases abgezogen wird. Das Trägergas wird zusammen mit dem ausgetriebenen Reduktionsmittel dem noch nicht entstickten Abgas zugeführt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte thermische Vorbehandlung der Flugasche zur Befreiung der Flugasche von unverbrauchten Reduktionsmitteln bzw. Reduk­ tionsmittelverbindungen zu vereinfachen und besser in den Feuerungsprozeß einzubinden.

Verfahrensmäßig wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die im Desorber befindliche Asche durch einen Verbrennungsabgasstrom einer Feuerung erhitzt, das dabei aus­ getriebene Reduktionsmittel in den Verbrennungsabgasstrom entlassen und dort erneut für eine selektive NO _x -Reduktion zur Verfügung gestellt wird. Durch die Erfindung wird sowohl das Austreiben des gasförmigen Reduktionsmittels aus der Asche als auch dessen Rückführung in den noch nicht entstickten Abgasstrom wesentlich vereinfacht. Es wird - anders als beim Stande der Technik - keine zusätzliche thermische Einrichtung zum Erwärmen des ammoniakhaltigen Flugstaubs und zum Austrei­ ben des Ammoniaks benötigt, da beide Vorgänge unmittelbar im Abgaskanal der ohnehin vorhandenen Feuerung stattfinden, wo die erforderliche Temperatur im Bereich von 200 bis 600°C zur Verfügung steht. Es tritt auch kein Energieverlust durch die genannte Aufwärmung der Filterasche ein. Das ausgetriebene Ammoniak befindet sich bereits zum Zeitpunkt des Austreibens aus dem Desorber in dem zu entstickenden Abgasstrom und wird mit diesem in den Reaktor zur NO _x -Reduktion transportiert. Das aus der Filterasche ausgetriebene, bei der vorhergehenden NO _x -Reduktion unverbrauchte Ammoniak wird auf diese Weise unmittelbar wieder in den Rauchgasentstickungsprozeß zurückge­ führt und verringert die Menge an für die NO _x -Reduktion erforderlichem frischen Reduktionsmittel.

Die Asche wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Verweilzeit bis zu 8 Stunden in dem im Rauchgasstrom befind­ lichen Desorptionsrohr gehalten, und zwar auf einer Temperatur von 200 bis 600°C.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß nach dem Austreiben des gasförmigen Reduktionsmittels in den Rauchgasstrom die Asche mit dem zur Verbrennung verwendeten Frischluftstrom in wärmetauschende Beziehung gebracht, zur Vorwärmung der Frischluft verwendet und dabei abgekühlt wird. Auf diese Weise wird die unmittelbar dem Verbrennungsabgas entnommene Wärmeenergie für das Austreiben des Ammoniaks an den Feuerungsprozeß nachfolgend wieder abgegeben.

Die Asche wird im Kühlrohr vorzugsweise stetig und mit solcher Geschwindigkeit fortbewegt, daß ihre Verweilzeit im Kühlrohr zwischen 10 Minuten und 2 Stunden beträgt.

In bevorzugter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Asche pneumatisch in einen Abscheider geleitet, aus dem das Fördermedium in denselben Abgasstrom geleitet wird, in den auch das ausgetriebene gasförmige Reduktionsmittel entlas­ sen wird. Dadurch werden Druckdifferenzen zwischen dem Innen­ raum des Desorptionsrohrs und dessen Umgebung, d. h. dem Abgas­ strom, vermieden. Als Fördermedium eignet sich Luft ebenso wie Rauchgas oder ein Inertgas, wie N₂ oder Co₂. Zur Vermei­ dung einer möglichen Dioxinbildung ist Rauchgas gegenüber Luft als Fördermedium bevorzugt.

Vorrichtungsmäßig zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, daß der Desorber wenigstens ein Desorptionsfallrohr aufweist, das mit einen Gasaustausch zwischen Innenraum und Umgebung ermog­ lichenden Öffnungen versehen ist, und daß das Desorptionsfall­ rohr senkrecht bis maximal 30° geneigt zur Senkrechten in einem Rauchgaszug ist angeordnet und einen hydraulischen In­ nendurchmesser von 10 bis 500 mm hat.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein Kühlrohr an das Desorptionsfallrohr angeschlossen und in einem Frischluftkanal senkrecht oder um maximal 30° zur Senkrechten geneigt geführt.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfin­ dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Aus­ führungsbeispiels der Vorrichtung zum Vorbehan­ deln der Filterasche von Feuerungsanlagen, wobei nur der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung beteiligte Teil der Feuerungsanlage gezeigt ist;

Fig. 2A und B Axialschnitte durch zwei unterschiedlich ausgebildete Desorptionsrohrabschnitte;

Fig. 3 ein schematischer Axialschnitt durch ein Ausfüh­ rungsbeispiel eines Abschnitts eines Kühlrohrs; und

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich derjenigen gemäß Fig. 1 auf ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung.

Im folgenden wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen:

Das Entsticken der staubhaltigen Abgase einer Kohlefeuerungs­ anlage erfolgt in einem in der Zeichnung nicht dargestellten High-Dust-SCR-Reaktor. Aus den entstickten Abgasen wird in einem Elektrofilter 1 die Asche abgeschieden. Die Filterasche wird zunächst in einen Elektrofiltern üblicherweise zugeordne­ ten Vorratsbehälter 2 gefördert. Von dort wird die Filterasche pneumatisch durch eine Leitung 3 in einen Zyklon 4 gefördert, der nahe oder in einem Abgaszug 5 der Feuerung angeordnet ist. Im Zyklon 4 wird der Filterstaub von der Förderluft getrennt. Die Förderluft tritt vorgereinigt aus dem Zyklon 4 aus und wird über eine Leitung 6 in den Abgaszug 5 geleitet. Da das Abgas vor der Stickoxid-Reduzierung und Staubabscheidung ohne­ hin Asche mitführt, reicht eine grobe Vorreinigung der über die Leitung 6 in den Rauchgaszug 5 eingeleiteten Förderluft völlig aus.

Die Asche fällt aus dem Zyklon 4 durch Schwerkraft in ein Desorptionsfallrohr 7, in welchem sie vorgewärmt und von Ammo­ niak und Ammoniumsalzen weitgehend befreit wird. Das Desorp­ tionsfallrohr 7 ist entsprechend der Darstellung in Fig. 1 vorzugsweise etwa senkrecht im Rauchgaszug 5 angeordnet; es kann aber auch bis zu etwa 30° zur Senkrechten geneigt verlau­ fen.

Das Desorptionsfallrohr 7 ist so ausgebildet, daß die während der Verweilzeit im Desorptionsfallrohr 7 zur thermischen Zer­ setzung der Ammoniaksalze erhitzte Asche im Rohr 7 verbleibt, während gasförmiges Ammoniak durch in der Rohrwandung ausge bildete Öffnungen in den Abgasstrom im Abgaszug 5 entweichen kann.

Zwei geeignete Ausführungsbeispiele des Desorptionsfallrohrs 7 sind in den Fig. 2A und 2B schematisch dargestellt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2A sind über den Umfang der Rohrwandung 70 teilweise offene Sicken 71 verteilt, die in den Rohrinnenraum vorspringen, oben geschlossen sind und da­ runterliegende Öffnungen 72 für den Durchtritt des gasförmigen Ammoniaks (Pfeile 75) überlappen. Die nach innen vorspringen­ den Sicken 71 sorgen für eine Vermischung der Asche in der im Rohrinnenraum befindlichen Aschesäule und damit für eine gleichmäßigere Aufheizung der Asche und Austreibung des gas­ förmigen Reduktionsmittels, Ammoniak.

Das in Fig. 2B schematisch dargestellte Desorptionsfallrohr besteht aus koaxial hintereinander angeordneten kegelstumpf­ förmigen Rohrstücken 76, die sich jeweils von oben nach unten hin verjüngen. Die jeweils engsten Rohrquerschnitte sind mit den an oberen Ende weiten Rohrquerschnitten der jeweils nach­ folgenden Rohrstücke über Stege 77 verbunden. Zwischen benach­ barten Rohrstücken 76 verbleibt ein, durch die Stege etwa radial unterbrochener Ringspalt für den Durchtritt gasförmigen Ammoniaks. Auch hier sind die ringförmigen Öffnungen von den darüberliegenden kegelstumpfförmigen Rohrstücken jeweils über­ lappt, so daß durch die Öffnungen keine Asche nach außen aus­ treten kann. Die sich verjüngenden Rohrquerschnitte sorgen auch bei diesem Ausführungsbeispiel für eine gute Vermischung der durch das Desorptionsfallrohr von oben nach unten durch­ tretenden Aschemenge.

Durch die beschriebene Ausbildung und Anordnung des Desorp­ tionsfallrohrs 7 ist sichergestellt, daß die Filterasche unter ständiger Bewegung gleichmäßig auf die zur Desorption notwen­ dige Temperatur erhitzt wird und das sich bildende gasförmige Ammoniak seitlich in den Abgasstrom (Pfeile 75) austreten kann und mit diesen fortgetragen wird. Dieses Ammoniak wird zusam­ men mit dem Abgasstrom dem Katalysator zugeführt und kann hier wieder zur Reduktion von Stickstoffoxiden benutzt werden, so daß praktisch keine Ammoniakverluste auftreten.

Nach dem Austreiben des Ammoniaks aus der Filterasche im Desorptionsfallrohr 7 wird die jetzt auf einer Temperatur oberhalb von 250°C befindliche Filterasche durch eine Rohrver­ bindung 8 in ein Kühlrohr 9 geführt. Das Kühlrohr 9 ist in einen Frischluftkanal 10 vorzugsweise vertikal eingehängt. Das Kühlrohr 9 kann ebenso wie das Desorptionsfallrohr 7 ggf. bis zu etwa 30° zur Senkrechten geneigt angeordnet sein. In dem Kühlrohr 9 sind beispielsweise entsprechend der Darstellung in Fig. 3 nach innen vorspringende Nasen oder Rippen (91) ausge­ bildet, welche die Asche zur Verbesserung des Wärmetauschs zur Frischluft beim Durchtritt durch das Kühlrohr 9 durchmischen. Durch diese Anordnung wird praktisch die gesamte, in der Fil­ terasche vorhandene fühlbare Wärme dem Feuerungsprozeß wieder zur Verfügung gestellt, da die Frischluft vorzugsweise vor dem regenerativen Luftvorwärmer durch das Kühlrohr 9 vorgewärmt wird. Aus dem Kühlrohr 9 wird die Filterasche über eine För­ dereinrichtung 11 in ein Filteraschesilo 12 gefördert und steht dort, befreit von Ammoniumsalzen und angelagertem Ammo­ niak zur Verladung und weiteren Verwendung zur Verfügung.

Das in Fig. 4 dargestellte abgewandelte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 durch den Transport der heißen Asche aus dem Desorptionsfall­ rohr 7 zum Kühlrohr 9. Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist vor allem dann zweckmäßig, wenn die Rauchgas- und Frischluft kanäle 5 und 9 - insbesondere bei Zweizugkesseln - relativ weit entfernt voneinander angeordnet sind. Bei der Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 4 wird die Asche durch eine pneumatische Fördereinrichtung auf 13 ein höheres geodätisches Niveau geho­ ben. In einem Zyklon 14 erfolgt das Abscheiden des Fördermedi­ ums, z. B. Luft oder Rauchgas, von der Asche ähnlich wie im Zyklon 4. Die von dem Fördermedium befreite Asche wird aus dem Zyklon 14 in das Kühlrohr 9 ausgegeben; das Fördermedium wird dem Frischluftstrom im Frischluftkanal 10 über eine Leitung 15 zugeführt. Auf diese Weise ist unter allen Umständen eine ausreichend lange Kühlstrecke 9 erzielbar.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwandlungen möglich. So können beispielsweise sowohl das Desorptionsfall­ rohrs 7 als auch das Kühlrohr 9 eine von einem runden Quer­ schnitt abweichende Gestaltung, z. B. einen etwa rechteckigen Querschnitt haben. Insbesondere das Desorptionsfallrohr kann eine oder mehrere Jalousiewände zum Gasaustausch bei gleich­ zeitigem Zurückhalten der Asche im Rohrinnenraum aufweisen. Das Desorptionsrohr kann unter Umständen auch als Steigrohr ausgebildet sein. Als Desorptionssteigrohr eignet sich die in Fig. 4 strichpunktiert dargestellte Förderleitung 3′, die durch den Abgaszug 5 geführt ist. Die Asche wird in der För­ derleitung bereits auf die Desorptionstemperatur vorgewärmt. Es ist auch bei der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen mit Desorptionsfallrohr 7 zweckmäßig, die Förderleitung 3′ (Fig. 4) etwa parallel zum Desorptionrohr 7 durch den Abgaszug 5 zu führen, um die Asche vorzuwärmen.

Alle in der Zeichnung einfach dargestellten Rohrleitungen können auch als Rohrbündel vorgesehen sein, was insbesondere für das Desorptionsrohr 7 und das Kühlrohr 9 zweckmäßig sein kann. Auch die Silos oder Zyklone können mehrfach, z.B. als Batterien vorgesehen sein, um entsprechend leistungsärmere Komponenten einsetzen zu können. Wesentlich ist, daß das Er­ hitzen der Ammoniumsalz-beladenen Asche im Desorptionsfallrohr 7 unmittelbar in demjenigen Abgaskanal stattfindet, in welchem Abgase aus der Feuerung bzw. dem Kessel zur Stickstoffoxid-Re­ duktion strömen. Dadurch wird sowohl die Wärmebilanz beim Austreiben des gasförmigen Ammoniaks aus der Filterasche opti­ miert als auch der bauliche Aufwand minimiert und schließlich das ungenutzte Ammoniak direkt wieder in den Stickstoffoxid- Reduktionsprozeß rückgeführt.

Claims (16)

1. Verfahren zum Vorbehandeln von Flugstaub oder -asche, insbesondere von Filterasche, die in Feuerungsanlagen nach einer selektiven katalytischen oder nicht-katalytischen NO _x - Reduktion aus staubhaltigen Verbrennungsabgasen abgeschieden wird und mit unverbrauchten Reduktionsmitteln oder einer Re­ duktionsmittelverbindung beladen ist, wobei die Asche in einen Desorber überführt und in diesem auf eine zum Austreiben des gasförmigen Reduktionsmittels erforderliche Temperatur erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die im Desorber befindliche Asche durch einen Abgasstrom einer Feuerung erhitzt, das dabei ausgetriebene Reduktionsmit­ tel in den Abgasstrom entlassen und dort erneut für eine se­ lektive NO _x -Reduktion zur Verfügung gestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Asche mit einer Verweilzeit bis zu 8 Stunden in dem im Rauchgasstrom befindlichen Desorber auf einer Temperatur von 200-600°C gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Austreiben des gasförmigen Reduktionsmittels in den Rauchgasstrom die Asche mit dem zur Verbrennung verwende­ ten Frischluftstrom in wärmetauschende Beziehung gebracht, zu dessen Vorwärmung verwendet und selbst abgekühlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Asche nach einer vorgegebenen Verweilzeit im Desorber pneumatisch, mechanisch oder unter Schwerkrafteinfluß in ein Kühlrohr gefördert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Asche im Kühlrohr mit solcher Geschwindigkeit stetig fort­ bewegt wird, daß ihre Verweilzeit im Kühlrohr zwischen 15 Minuten und 2 Stunden beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet daß die Asche pneumatisch in einen Abscheider geleitet wird, aus dem das gasförmige Fördermedium in densel­ ben Rauchgasstrom geleitet wird, in den auch das ausgetriebene gasförmige Reduktionsmittel entlassen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Asche auf dem Wege zum Abscheider durch Abgasstrom geführt und in diesem vorgewärmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Fördermedium ein sauerstoffarmes Gas, insbesondere Rauchgas verwendet wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Desor­ ber wenigstens ein Desorptionsfallrohr (7) aufweist, das mit einen Gasaustausch zwischen Rohrinnenraum und Umgebung ermög­ lichenden Öffnungen (72) versehen ist, und daß das Desorp­ tionsfallrohr senkrecht bis maximal 30° geneigt zur Senkrech­ ten in einem Rauchgaszug (5) angeordnet ist und einen hydrau­ lischen Innendurchmesser von 10 bis 500 mm hat.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Desorptionsfallrohr (7) mit teilweise offenen Sicken (71) versehen ist, die in den Rohrinnenraum vorspringen und die Asche auf ihrem Weg durch das Fallrohr (7) durchmischen, je­ doch weitgehend am Austritt in den Rauchgasstrom hindern.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Desorptionsfallrohr (7) aus koaxial hintereinander ange­ ordneten kegelstumpfförmigen Rohrstücken (76) aufgebaut ist, wobei sich die Rohrstücke von oben nach unten verjüngen und die engsten Rohrquerschnitte jeweils über Stege (77) mit den am oberen Ende weiten Rohrquerschnitten des nachfolgenden Rohrstücks verbunden sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kühlrohr (9 ) an das De­ sorptionsfallrohr (7) angeschlossen ist und in dem zur Feue­ rung führenden Frischluftkanal (10) senkrecht oder um maximal 30° zur Senkrechten geneigt verläuft.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den unteren Ende des Desorptionsfallrohrs (7) und dem oberen Ende des Kühlrohrs (9) mechanische, pneumatische oder durch Gravitation wirksame Mittel (8, 13) zur Förderung der von Reduktionsmitteln befreiten Asche in das Kühlrohr (9) vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr (9) mit nach innen vorsprin­ genden Nasen (91) zum Durchmischen und besseren Wärmetausch der Asche versehen ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnde Asche durch pneuma­ tische Mittel (3) in einen Abscheider (4), insbesondere einen Fliehkraftabscheider oder einen mit einem Filtermedium verse­ henen Staubabscheider, geleitet wird und daß der Abscheider (4) eine Gasauslaßleitung (6) hat, die in den Rauchgaszug (5) mündet.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine zum Abscheider (4) führende Förderleitung (3′) durch den Abgaszug (5) geführt und als Steigleitung ausgebildet ist.