DE3720963A1

DE3720963A1 - Verfahren und vorrichtung zur abscheidung der asche aus dem bei der verbrennung von kohle anfallenden gas

Info

Publication number: DE3720963A1
Application number: DE19873720963
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Prof Dr Ing Weber
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1987-06-25
Filing date: 1987-06-25
Publication date: 1989-01-05
Also published as: DE3720963C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Abscheidung der Asche aus dem bei der Verbrennung von Kohle mit Luft anfallenden Gas, das eine Temperatur von 1200 bis 1700°C hat.

Es ist bekannt, daß kleine Kohleteilchen in einem sauerstoffhaltigen Gas suspendiert und in einer Brennkammer verbrannt werden können, wobei die anorganischen Bestandteile der Kohle als Asche anfallen. Wenn die Verbrennung mit Sauerstoff angereicherter Luft und/oder bei erhöhtem Druck erfolgt, wird eine sehr hohe Verbrennungstemperatur erreicht, die dazu führt, daß das bei der Verbrennung gebildete Gas die Brennkammer mit einer Temperatur von 1200 bis 1700°C verläßt und die bei der Verbrennung gebildete Asche in geschmolzener, flüssiger Form anfällt. Es ist ferner bekannt, daß Verbrennungsgase, die eine hohe Temperatur aufweisen, vorteilhaft zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden können, da ihr Wärmeinhalt von einer Gasturbine mit sehr gutem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgewandelt wird. Der restliche Wärmeinhalt des die Gasturbine verlassenden Verbrennungsgases kann in vorteilhafter Weise zur Erzeugung von Dampf in einem Dampfkessel genutzt werden. Aus energetischer und wirtschaftlicher Sicht ist also die Erzeugung von Verbrennungsgasen anzustreben, die eine möglichst hohe Temperatur aufweisen, wobei diese Temperatur in der Praxis zwischen 1200 und 1700°C liegt.

Mit der Erzeugung eines Verbrennungsgases, das eine Temperatur von 1200 bis 1700°C hat, ist der Nachteil verbunden, daß die bei der Verbrennung von Kohle entstehende Asche nicht in fester, sondern in flüssiger Form anfällt. Vor der Nutzung des heißen Verbrennungsgases in einer Gasturbine muß die flüssige Asche quantitativ aus dem Verbrennungsgas entfernt werden, da die Gasturbine anderenfalls durch die sich ablagernden und verfestigenden Aschetröpfchen zerstört würde. Bisher ist aber kein Verfahren bekannt geworden, das die quantitative Abscheidung der flüssigen Asche aus dem bei der Verbrennung von Kohle entstehenden Verbrennungsgas ermöglicht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die quantitative Abtrennung der in sehr heißen Verbrennungsgasen enthaltenen flüssigen Asche erreicht wird und das über einen längeren Zeitraum betriebssicher arbeitet. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung vorzuschlagen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Verbrennungsgas, das durch Verbrennung der Kohle unter Druck erzeugt wird und in dem die flüssige Asche in Form von Tröpfchen suspendiert ist, durch mindestens ein in der Brennkammer angeordnetes, keramisches, poröses, gasdurchlässiges Filterelement geführt wird, dessen Hauptbestandteile Al₂O₃, SiO₂, MgO und/oder ZrO₂ sind. Obwohl derartige Filterelemente, die auch als "keramischer Schaum" bezeichnet werden, an sich bekannt sind und bei metallurgischen Verfahren zur Anwendung kommen, war es für den Fachmann überraschend, daß die flüssigen Aschetröpfchen bei der hohen Temperatur des Verbrennungsgases die Poren des Filterelements nicht verstopfen, sondern vom Filterelement abfallen bzw. abfließen. Daher können die Aschetröpfchen durch das Filterelement vom Verbrennungsgas quantitativ "abfiltriert" werden. Es ist besonders überraschend, daß die Gasanströmgeschwindigkeit beim erfindungsgemäßen Verfahren um das 50- bis 100fache höher gewählt werden kann als bei Entstaubungsverfahren, die ein Gewebefilter verwenden. Das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Filterelement verhält sich bei 1200 bis 1700°C gegenüber dem Verbrennungsgas inert und verändert seine Porenstruktur auch im Langzeitbetrieb nicht.

Nach der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß das Filterelement 10 bis 1000 Poren pro cm² hat, daß die offene Porosität des Filterelements zwischen 70 und 90% liegt und daß der mittlere Durchmesser der Poren des Filterelements 100 bis 2000 µm beträgt. Bei Verwendung eines derartig ausgebildeten Filterelements werden Restgehalte von weniger als 5 mg Staub pro Nm³ Verbrennungsgas erreicht. Unter der offenen Porosität ist der Volumenanteil der Poren des Filterelements am Gesamtvolumen des Filterelements zu verstehen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Verbrennung der Kohle bei 2 bis 30 bar erfolgt. Es hat sich gezeigt, daß bei diesem Druck eine hohe Verbrennungstemperatur auftritt. In einigen Fällen ist es vorteilhaft, wenn die Verbrennungsluft mit Sauerstoff angereichert ist, da durch diese Maßnahme ebenfalls hohe Verbrennungstemperaturen erreicht werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch die Schaffung einer Vorrichtung gelöst, die aus einer Brennkammer besteht, die mindestens einen Brenner, einen Abgaskanal sowie eine Aschenaustrags-Einrichtung aufweist und in der zwischen dem Brenner und dem Abgaskanal mindestens ein Filterelement so angeordnet ist, daß das gesamte Verbrennungsgas durch das Filterelement hindurchtritt. Das Filterelement ist in der Brennkammer also so anzuordnen, daß der Verbrennungsraum von den Teilen der Brennkammer getrennt wird, die der Abfuhr der heißen, gereinigten Verbrennungsgase dienen. Eine derartige Anordnung ist möglich, da Klebemittel bekannt sind, mit denen das Filterelement und die feuerfeste Auskleidung der Brennkammer fest miteinander verbunden werden können. Der durch das Filterelement verursachte Druckverlust ist außerordentlich gering und liegt bei ca. 500 Pa.

Die in den Patentansprüchen 6 bis 11 genannten konstruktiven Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da sie den störungsfreien und schnellen Abfluß der flüssigen Asche vom Filterelement ermöglichen und die Verstopfung der Poren des Filterelements verhindern. Im praktischen Einsatz hat sich ein Filterelement besonders bewährt, dessen Hauptbestandteil ZrO₂ ist.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Brennkammer mit senkrechtem, rohrförmigem Filterelement,

Fig. 2 Brennkammer mit senkrechtem, rohrförmigem, einseitig geschlossenem Filterelement,

Fig. 3 Brennkammer mit plattenförmigem Filterelement, das waagerecht oder geneigt angeordnet ist,

Fig. 4 Brennkammer mit einem Filterelement, das aus mehreren, senkrecht angeordneten Filterkerzen besteht.

In den Fig. 1 bis 4 sind verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, die aus einer Brennkammer (1) besteht, welche mindestens einen Brenner (2), einen Abgaskanal (8) sowie eine Aschenaustrags-Einrichtung (6) aufweist und in der zwischen dem Brenner (2) und dem Abgaskanal (8) mindestens ein Filterelement (7) angeordnet ist. Die Brennkammer (1) besitzt eine feuerfeste Auskleidung, wie sie auch bei Schmelzkammerfeuerungen verwendet wird. Die feuerfeste Auskleidung ist sowohl gegen die Asche als auch gegen das Verbrennungsgas inert. Dem Brenner (2) wird über die Leitung (3) Kohlenstaub und über die Leitung (4) Luft zugeführt. Das aus der Brennerdüse (5) austretende Kohle-Luft-Gemisch verbrennt unmittelbar nach seinem Eintritt in die Brennkammer (1), wobei Verbrennungsgas, Asche und Wärme gebildet werden. In der Brennkammer (1) können ein oder mehrere Brenner angeordnet sein. Das Verbrennungsgas, in dem die Asche in flüssiger Form suspendiert ist, verteilt sich in der Brennkammer (1) und verliert dabei zunächst an Geschwindigkeit, wodurch ein Teil der flüssigen Asche unter der Einwirkung der Schwerkraft in Form von Tröpfchen ausfällt und durch die Aschenaustrags-Einrichtung (6) abgeführt wird. Das Verbrennungsgas tritt durch das Filterelement (7) hindurch, wobei die im Gas suspendierten Aschetröpfchen quantitativ abgetrennt werden. Das gereinigte Verbrennungsgas gelangt über den Abgaskanal (8) in eine Gasturbine und anschließend in mindestens einen Wärmeaustauscher, wo dem heißen Verbrennungsgas die Wärme entzogen wird. Das Filterelement (7) ist in der Brennkammer (1) so angeordnet, daß die flüssige Asche möglichst schnell abfließt bzw. abtropft und daß das gesamte Verbrennungsgas durch das Filterelement (7) hindurchtritt. Dies bedeutet, daß der Brennerraum und der Abgasraum der Brennkammer (1) durch das Filterelement (7) voneinander getrennt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren hat einen Wirkungsgrad von über 45%.

Fig. 1 zeigt ein Filterelement (7 a), das in der Brennkammer (1) senkrecht und konzentrisch angeordnet ist. Das rohrförmige Filterelement (7 a) kann durch einen bekannten keramischen Kleber fest mit der feuerfesten Auskleidung der Brennkammer (1) verbunden werden.

Fig. 2 zeigt ein Filterelement (7 b), das die Form eines einseitig geschlossenen Rohres hat, dessen Öffnung den beiden Brennern (2) zugewandt ist.

Fig. 3 zeigt ein Filterelement (7 c), das plattenförmig ausgebildet ist und entweder waagerecht oder geneigt in der Brennkammer (1) so angeordnet ist, daß es den Brennerraum und den Abgasraum voneinander trennt. Die im Verbrennungsgas suspendierten Aschetröpfchen tropfen oder fließen vom plattenförmigen Filterelement (7 c) ab.

Fig. 4 zeigt ein Filterelement, das aus mehreren Filterkerzen (7 d) besteht, die senkrecht in einer Platte (10) angeordnet sind. Die Filterkerzen (7 d) sind innen hohl und ihre geschlossene Seite (11) ist den Brennern (2) zugewandt. Das aus Filterkerzen (7 d) bestehende Filterelement (7) hat eine besonders große Filterfläche.

Claims

1. Verfahren zur Abscheidung der Asche aus dem bei der Verbrennung von Kohle mit Luft anfallenden Gas, das eine Temperatur von 1200 bis 1700°C hat, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungsgas, das durch Verbrennung der Kohle unter Druck erzeugt wird und in dem die flüssige Asche in Form von Tröpfchen suspendiert ist, durch mindestens ein in der Brennkammer angeordnetes, keramisches, poröses, gasdurchlässiges Filterelement geführt wird, dessen Hauptbestandteile Al₂O₃, SiO₂, MgO und/oder ZrO₂ sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement 10 bis 1000 Poren pro cm² hat, daß die offene Porosität des Filterelements zwischen 70 und 90% liegt und daß der mittlere Durchmesser der Poren des Filterelements 100 bis 2000 µm beträgt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung der Kohle bei 2 bis 30 bar erfolgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft mit Sauerstoff angereichert ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Brennkammer (1) besteht, die mindestens einen Brenner (2), einen Abgaskanal (8) sowie eine Aschenaustrags-Einrichtung (6) aufweist und in der zwischen dem Brenner (2) und dem Abgaskanal (8) mindestens ein Filterelement (7) so angeordnet ist, daß das gesamte Verbrennungsgas durch das Filterelement (7) hindurchtritt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (7) die Form eines Rohres (7 a) hat, das in der Brennkammer (1) konzentrisch und senkrecht angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (7) die Form eines einseitig geschlossenen Rohres (7 b) hat, das in der Brennkammer (1) konzentrisch sowie senkrecht angeordnet und dessen offene Seite (9) dem Brenner (2) zugewandt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (7) die Form einer Platte (7 c) hat, die zwischen Brennkammer (1) und Abgaskanal (8) angeordnet ist und die Brennkammer (1) abschließt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das plattenförmige Filterelement (7 c) waagerecht angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das plattenförmige Filterelement (7 c) um einen Winkel α von 30 bis 45° gegenüber der Horizontalen geneigt angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (7) aus mehreren Filterkerzen (7 d) besteht, die mit einer Platte (10) fest verbunden sind, welche zwischen Brennkammer (1) und Abgaskanal (8) waagerecht angeordnet ist und die Brennkammer (1) abschließt, wobei die geschlossene Seite (11) aller Filterkerzen (7 d) dem Brenner (2) zugewandt ist und wobei die Filterkerzen (7 d) in der Brennkammer (1) senkrecht angeordnet sind.