DE3832579A1

DE3832579A1 - Verfahren zur verbesserten ausnutzung von kalziumhaltigem schwefel-absorptionsmittel in einer kraftwerksanlage und anlage zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3832579A1
Application number: DE3832579A
Authority: DE
Inventors: Roine Dipl Ing Braennstroem
Original assignee: ABB Stal AB
Current assignee: ABB Stal AB
Priority date: 1987-09-30
Filing date: 1988-09-24
Publication date: 1989-04-20
Also published as: SE461380B; US4913068A; SE8703763D0; ES2012121A6; SE8703763L

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verbesserten Aus nutzung von kalziumhaltigem Schwefel-Absorptionsmittel in einer Kraftwerksanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Kraftwerksanlage enthält ein Wirbelbett, dessen partikelförmiges Bettmaterial zumindest teilweise aus Schwefel-Absorptionsmittel besteht. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der Entfernung von Schwefel während der Verbrennung von flüssigem oder festem schwefelhaltigem Brennstoff werden große Mengen von Absorptionsmittel, vorzugsweise Kalkstein oder Dolomit, verbraucht, wobei Kalzium das für die Bindung des Schwefels verwendete Element ist. Eine wirksame Methode zur Beseitigung des Schwefels besteht darin, die Verbrennung in einem Wirbelbett durchzuführen, welches zumindest teilweise aus Kalk oder Dolomit besteht.

Die Kosten für die Beschaffung von Absorptionsmaterial und für die Entsorgung des verbrauchten Absorptionsmaterials erhöhen erheblich die Produktionskosten von Wärme und Elektrizität. Die Entsorgung des verbrauchten Materials ist zugleich ein Umweltproblem. Es ist daher sowohl unter dem Gesichtspunkt der Kosten als auch der Umweltverträglichkeit wichtig, daß das Absorptionsmaterial hochgradig ausgenutzt wird, vorzugsweise zu annähernd 100%.

Bei einem wallenden fluidisierten Bett liegt die Gasge schwindigkeit im allgemeinen zwischen 0,5 und 2,0 m/sec, wobei sich das Partikelmaterial im Bett mehr oder weniger wie eine Flüssigkeit verhält. Partikel unterhalb einer gewissen Größe verlassen mit den Verbrennungsgasen das Bett und verweilen daher nur kurze Zeit im Bett. Die Verweilzeit wird in einem gewissen Grade auch von der Gestalt der Partikel beeinflußt. Bei einer Gasgeschwindigkeit von 1 m/sec werden Partikel, die kleiner als 0,3-0,5 mm sind, so schnell aus dem Bett herausgeblasen, daß ihre Absorptionskapazität nicht in zufriedenstellender Weise genutzt werden kann. Dies bedeutet, daß die Fraktion des Absorptionsmaterials, deren Partikel nach der Zerkleinerung kleiner als 0,3-0,5 mm sind, schlecht genutzt wird, da ihre Verweilzeit im Bett zu kurz ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ausnutzung von kalziumhaltigem Schwefel-Absorptionsmittel zu entwickeln, bei welchem der vorstehend aufgezeigte Nachteil beseitigt ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren gemäß dem Ober begriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2-7 genannt.

Eine Kraftwerksanlage zur Durchführung des Verfahrens ist durch die im Anspruch 8 genannten Merkmale gekennzeichnet, und vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Anlage sind in den Ansprüchen 9-12 genannt.

Gemäß der Erfindung wird also das bei der Aufbereitung von frischem Absorptionsmittel zerkleinerte Absorptionsmittel in eine feinkörnige und eine grobkörnige Fraktion getrennt. Während die grobkörnige Fraktion direkt, und zwar entweder getrennt oder zusammen mit Brennstoff, dem Bett der Brenn kammer zugeführt wird, wird die feinkörnige Fraktion vor ihrer Einführung ins Bett zunächst kalziniert, so daß sich Kalziumoxyd, CaO, bildet. Dieses kalzinierte Absorptions material wird mit Brennstoff gemischt, wobei es als Trocknungs mittel für den Brennstoff wirkt. Die Verwendung von CaO als Trocknungsmittel für Brennstoff ist beispielsweise bekannt aus der SE-PS 84 03 665-6. Das CaO verbindet sich beim Kontakt mit Brennstoffpartikeln mit der Feuchtigkeit im Brennstoff gemäß der folgenden Formel

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Das Kalziumhydroxyd Ca(OH)₂, welches bei dieser Reaktion entsteht, ist ein trockenes, feinkörniges Pulver. Wenn es in das Bett eingeführt und erhitzt wird, findet die Reaktion in umgekehrter Richtung statt, so daß sich feinkörniges Kalzium oxyd, CaO, bildet. Die kleine Partikelgröße bietet günstige Reaktionsbedingungen, und es findet eine extrem schnelle Reaktion mit dem Schwefeldioxyd, SO₂, statt. Durch die Zuführung des Gemisches aus Brennstoff und dem nun extrem feinkörnigen Absorptionsmittel erhält man eine hohe Ausnutzung des Absorptionsmittels trotz seiner kurzen Verweilzeit im Bett.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein teilweise verbrauchtes Absorptionsmittelpartikel,

Fig. 2 die Beziehung zwischen der Partikelgröße und der Ausnutzung des Absorptionsvermögens des Absorptionsmittels,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Kraftwerksanlage mit einem unter Druck arbeitenden Wirbelbett, welche mit einer Kalzinierungsanlage für die feinkörnige Fraktion des Absorptionsmittels ausgerüstet ist.

In Fig. 1 bezeichnet 1 ein Partikel eines Absorptionsmittels aus Kalkstein, CaCO₃. Nach einer bestimmten Verweilzeit im Bett hat die äußere Schicht des Partikels Schwefel absorbiert und bildet einen Überzug aus Kalziumsulphat, CaSO₄. Vereinfacht dargestellt, finden die folgenden Reaktionen statt:

Der Kern des Teilchens kann aus CaCO₃ + CaO und möglicher weise aus anderen Verbindungen in variierenden Mengen bestehen, abhängig von der Verweilzeit im Bett, der Temperatur im Bett, dem Partialdruck des CO₂ und anderen Faktoren. Die Entfernung zwischen der Oberfläche 4 und der Grenzschicht 5, d. h. die Dicke der Schicht 2 aus hydriertem Kalziumsulphat beeinflußt die Absorptionsbereitschaft des Teilchens. Je dicker die Schicht 2 ist, um so mehr Zeit benötigt das SO₂, die Schicht zu durchdringen mit dem Ergebnis, daß die Absorptions fähigkeit des Teilchens nachläßt und das Anwachsen der Dicke der Schicht 2 sich fortlaufend verlangsamt.

Die vorgenannten Verhältnisse bedeuten, daß die Wirksamkeit des Absorptionsmittels sich mit der Partikelgröße entsprechend der in Fig. 2 gezeigten Kurve C ändert. Sehr kleine Partikel reagieren fast augenblicklich mit SO₂ und werden so fast vollständig ausgenutzt, bevor sie Gelegenheit haben, das Bett zu verlassen. Mit zunehmender Partikelgröße wächst die für die volle Ausnutzung des Partikels erforderliche Zeit. Dies bedeutet, daß einige der Partikel in dem Größen bereich zwischen der η s-Achse und der Linie A-A, die schnell mit den Verbrennungsgasen fortgetragen werden, unvollständig ausgenutzt bleiben. Der Ausnutzungsgrad in dem Bereich zwischen B-B und C-C ist vollständig unbefriedigend. Die Lage der Linie A-A hängt u. a. von der Geschwindigkeit des Gases im Bett ab. Mit zunehmender Gasgeschwindigkeit verschiebt sich die Linie A-A nach rechts. Dadurch, daß beim Zerkleinern zur Herstellung von frischem Bettmaterial die feinteiligen Partikel, die unterhalb einer bestimmten Größe liegen und daher schnell aus dem Wirbelbett herausgeblasen werden würden, ausgesondert und kalziniert werden, erreicht man eine bessere Ausnutzung dieser Fraktion. Sie kann mit feuchtem Brennstoff gemischt werden, so daß zumindest die Oberfläche der Brennstoffpartikel getrocknet wird, wodurch die Transporteigenschaften des Brennstoffes verbessert werden. Das sich beim Kalzinieren bildende Kalziumoxyd, CaO, verbindet sich mit der Feuchtigkeit des Brennstoffes unter Bildung von Kalziumhydroxyd, Ca(OH)₂ und zerfällt in feine Partikel. Die Partikel in der aussortierten Fraktion nehmen eine Größe an, die sie unter Absorptionsgesichtspunkten wirksamer macht, trotz ihrer kurzen Verweilzeit im Bett.

Eine Kalzinierung kann sowohl bei Kraftwerksanlagen statt finden, deren Bett unter atmosphärischem Druck steht, als auch bei Kraftwerksanlagen, deren Bett unter erhöhtem Druck steht. Eine Kraftwerksanlage der letzteren Art ist in Fig. 3 gezeigt. Dort bezeichnet 10 ein Druckgefäß und 11 eine Brennkammer mit einem Wirbelbett 12, in welchem ein Brennstoff verbrannt wird. Die sich bildenden Verbrennungsgase sammeln sich im Freiraum 13, werden in der durch einen Zyklon 14 dargestellten Reinigungsanlage gereinigt und werden dann einer Gasturbine 15 zugeführt. Diese Turbine treibt einen Kompressor 16, der Verbrennungsluft komprimiert. Der Raum 18 im Druckgefäß wird über eine Leitung 17 mit dieser komprimierten Verbrennungsluft gespeist. Die Verbrennungsluft wird über einen Schacht 20 und im Boden 22 der Brennkammer vorhandene Düsen 21 der Brennkammer 11 zugeführt.

Nach dem Zerkleinern wird die feinteilige Fraktion 23 des Absorptionsmittels aus dem Behälter 24 über ein Zellenventil 25 in die Transportleitung 26 eingespeist. Das Absorptions mittel wird durch Transportluft vom Kompressor 27 durch ein Rohrsystem 28 im Bettabschnitt der Brennkammer befördert, wo es getrocknet und dabei vollständig oder teilweise kalziniert wird. Von dem Rohrsystem 28 wird das Material über eine Leitung 30 dem Leitungssystem 31 im Schacht 20 zuge führt. In dem Rohrsystem 31 wird das Material durch die zur Brennkammer 11 strömende Verbrennungsluft gekühlt. Die Rohr systeme 28 und 31 können wie das in der EP-A-O1 08 505 beschriebene Transportsystem aufgebaut sein. Im Zuge der Leitung 31 kann eine Hilfsbrennkammer 32 angeordnet sein, in welcher dem Absorptionsmittel zusätzlich Wärme zugeführt werden kann, wenn die Wärmezufuhr in dem Rohrsystem 28 für die Erzielung einer Kalzinierung nicht ausreicht. Dank der zugeführten Wärme und der längeren Verweilzeit in der Kalzinierungs anlage erhöht sich der Kalzinierungsgrad. Brennstoff 34 aus dem Behälter 35 wird der Brennkammer 32 über ein Zellenventil 33 zugeführt. Von dem als Kühler wirkenden Rohr system 31 wird das kalzinierte Absorptionsmittel über die Leitung 37 einem Sammelbehälter 36 zugeführt. Die Transportluft wird durch Staubfilter 38 abgeführt. Kalziniertes Absorptions mittel 40 und Kohle 41 oder ein Gemisch aus Kohle und der groben Fraktion des Absorptionsmittels werden aus dem Behälter 36 beziehungsweise dem Behälter 42 über Zellenventil 44 beziehungsweise 45 einem Mischer 43 zugeführt und von dort über die Leitung 46 und Düsen 47 in die Brennkammer 11 befördert. Transportgas wird vom Kompressor 48 geliefert.

Claims

1. Verfahren zur verbesserten Ausnutzung von kalziumhaltigem Schwefel-Absorptionsmittel in einer Kraftwerksanlage, in welcher partikelförmiges Material in einem Wirbelbett (12) in einer Brennkammer (11) verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Aufbereitung von frischem Absorptionsmaterial dieses zerkleinert wird, daß das zerkleinerte Material in eine feinkörnige und eine grob körnige Fraktion getrennt wird und daß die feinkörnige Fraktion kalziniert wird, dann als Trockenmittel für zerkleinerte Kohle (41) verwendet wird und schließlich zusammen mit dem Brennstoff in das Bett eingeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalzinierung in einer Anlage (28) durchgeführt wird, die in der Brennkammer (11) angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feinkörnige Fraktion des Bettmaterials pneumatisch durch die Kalzinierungsanlage (28) transportiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalzinierungsanlage (28) aus einem Rohrbündel im Wirbelbett (12) besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel (28) aus einer Vielzahl räumlich parallel angeordneter Rohre besteht, die strömungsmäßig in Reihe geschaltet sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Kalzinierungsanlage (28) kalzinierte Material durch Verbrennungsluft in einer Kühlvorrichtung (31) gekühlt wird, wodurch diese Verbrennungsluft vorgewärmt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwefel-Absorptions mittel durch Sieben in eine feinkörnige Fraktion mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 0,5 mm und eine grobkörnige Fraktion mit einer Partikelgröße von mehr als etwa 0,5 mm getrennt wird.

8. Kraftwerksanlage mit einer Brennkammer zur Verbrennung von Brennstoff in einem Wirbelbett (12), welches aus partikel förmigem Material besteht, welches ein kalziumhaltiges Schwefel-Absorptionsmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Kraftwerksanlage gehören: eine Anlage (28) zur Kalzinierung einer feinkörnigen Fraktion des Absorptionsmittels, eine Einrichtung zur Mischung von kalziniertem Absorptionsmittel (40) mit zerkleinerter Kohle (41) und eine Einrichtung zur Einspeisung der Mischung aus Absorptionsmittel und Kohle in das Wirbelbett.

9. Kraftwerksanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalzinierungsanlage (28) in der Brennkammer (11) angeordnet ist.

10. Kraftwerksanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalzinierungsanlage eine in der Brennkammer (11) angeordnete Leitungsspirale oder dergleichen (28) enthält.

11. Kraftwerksanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsspirale (28) aus einer Vielzahl räumlich parallel angeordneter und strömungs mäßig in Reihe geschalteter Leitungsabschnitte besteht.

12. Kraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung hinter der in der Brennkammer (11) angeordneten Kalzinierungsanlage (28) eine Hilfsbrennkammer (32) angeordnet ist, in der durch zusätzliche Verbrennung sichergestellt werden kann, daß die für den gewünschten Kalzinierungsgrad erforderliche Wärme zugeführt wird.