DE3720963A1 - Verfahren und vorrichtung zur abscheidung der asche aus dem bei der verbrennung von kohle anfallenden gas - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur abscheidung der asche aus dem bei der verbrennung von kohle anfallenden gasInfo
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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 (11)
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.
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DE19873720963 DE3720963A1 (de) | 1987-06-25 | 1987-06-25 | Verfahren und vorrichtung zur abscheidung der asche aus dem bei der verbrennung von kohle anfallenden gas |
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Family
ID=6330251
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