DE3720963C2

DE3720963C2 -

Info

Publication number: DE3720963C2
Application number: DE19873720963
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Prof. Dr.-Ing. 4300 Essen De Weber
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1987-06-25
Filing date: 1987-06-25
Publication date: 1992-03-19
Also published as: DE3720963A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung von Asche aus Rauchgas nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.

Aus der DE 34 09 106 A1 ist es bekannt, daß kleine Kohleteilchen in Luft suspendiert und in einer Brennkammer verbrannt werden können, wobei die anorganischen Bestandteile der Kohle als Asche anfallen. Es ist ferner bekannt, daß Gase, 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 Gases kann in vorteilhafter Weise zur Erzeugung von Dampf in einem Dampfkessel genutzt werden. Aus energetischer und wirtschaftlicher Sicht ist also bei der Kohlenstaubverbrennung die Erzeugung eines Rauchgases anzustreben, das eine möglichst hohe Temperatur aufweist.

Mit der hohen Temperatur den Rauchgases ist der Nachteil verbunden, daß die bei der Verbrennung von Kohlenstaub 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 andernfalls 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 und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß die quantitative Abtrennung der in sehr heißen Rauchgasen enthaltenen flüssigen Asche über einen längeren Zeitraum betriebssicher möglich ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird hinsichtlich des gattungsbildenden Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die kenzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 5 gelöst. Obwohl derartige Filterelemente mit den Hauptbestandteilen Al₂O₃, SiO₂, MgO und/oder ZrO₂, 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 Rauchgases die Poren 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 des Kohlenstaubs 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 erfindungsgemäße Anwendung des Filterelements ist möglich, da Klebemittel bekannt sind, mit denen die Filterelemente und die feuerfeste Auskleidung der Brennkammer fest miteinander verbunden werden können. Der durch ein erfindungsgemäßes Filterelement verursachte Druckverlust ist außerordentlich gering und liegt bei 500 Pa.

Die in den Patentansprüchen 6 bis 10 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 zeigt

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

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

Fig. 3 zeigt ein Filterelement (7c), 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 (7c) ab.

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

Claims

1. Verfahren zur Abscheidung der Asche aus Rauchgas, bei dem das Rauchgas durch eine Verbrennung von Kohlenstaub mit Luft unter Druck in einer Brennkamer erzeugt und durch mindestens ein in der Brennkammer angeordnetes, keramisches, poröses, gasdurchlässiges Filterelement geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß für das Filterelement als Hauptbestandteile Al₂O₃, SiO₂, MgO und/oder ZrO₂ verwendet werden, wobei das Rauchgas mit einer Temperatur von 1200 bis 1700°C und die Asche in Form von in dem Rauchgas suspendierten Flüssigpartikeln dem Filterelement zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement 10 bis 1000 Poren pro cm², mit einer offenen Porosität zwischen 70 und 90% und einem mittleren Durchmesser der Poren von 100 bis 2000 µm versehen wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck bei der Verbrennung des Kohlenstaubs bei 2 bis 30 bar liegt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft für die Verbrennung mit Sauerstoff angereichert wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Brennkammer (1), die mindestens einen Brenner (2), einen Abgaskanal (8) sowie eine Ascheaustrag-Einrichtung (6) aufweist und in der zwischen dem Brenner (2) und dem Abgaskanal (8) mindestens ein keramisches, poröses, gasdurchlässiges Filterelement (7) so angeordnet ist, daß das gesamte Verbrennungsgas durch das Filterelement (7) hindurchtritt, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Filterelement (7) als Hauptbestandteile Al₂O₃, SiO₂, MgO und/oder ZrO₂ aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Filterelement die Form eines Rohres (7a) 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 (7b) 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 (7c) 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 (7c) waagerecht angeordnet ist.

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