DE3934447C2 - Verfahren und Anlage zur Entgasung von festem Brennstoff in einem Wirbelschichtreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Entgasung von festem Brennstoff in einem Wirbel­ schichtreaktor, wobei die zur Entgasung erforderliche Wärmeenergie in einer Wirbelschichtfeuerung erzeugt und in den Wirbelschichtreaktor eingekoppelt wird ge­ mäß Hauptpatent 39 04 712.

Zur Verringerung der Stickoxidemission von mit Festbrennstoffen betriebenen Großfeuerungsanlagen ist es bekannt, der Hauptfeuerungszone eine sogenann­ te Reduktionszone nachzuschalten, in die ein Reduk­ tionsmittel zur Reduktion der in der Hauptfeuerungszo­ ne gebildeten Stickoxide eingeleitet wird. Dabei kann das benötigte Reduktionsgas auch durch Ent- bzw. Ver­ gasung einer entsprechenden vom Primärbrennstoff ab­ gezweigten Brennstoffmenge gewonnen werden (DE- OS 34 13 564), wobei unter Entgasung sowohl eine voll­ ständige Entgasung als auch eine Teilentgasung des Brennstoffes zu verstehen ist. Dadurch können die - bei Einsatz von zusätzlichen Energien und Stoffen wie z. B. Erdgas relativ hohen - Bereitstellungskosten für das Reduktionsmittel gesenkt werden.

Eine weitere Senkung der Stickoxidemission wird er­ reicht, wenn der gesamte feste Brennstoff vor seiner Verfeuerung entgast wird (DE-OS 36 14 497), wobei wiederum Teile der freigesetzten flüchtigen Bestandtei­ le unmittelbar als Reduktionsmittel eingesetzt werden können. Durch die Entgasung des gesamten zu verfeu­ ernden festen Brennstoffes wird die Feuerraumtempe­ ratur günstig beeinflußt und so die Stickoxidkonzentra­ tion in der Hauptfeuerungszone vermindert, wobei le­ diglich noch der im entgasten festen Brennstoff verblie­ bene Reststickstoff in die Hauptfeuerungszone gelangt und in geringerem Maße zur Stickoxidbildung führt. Die niedrigere Stickoxidbildung schon in der Hauptfeue­ rungszone wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Ge­ samtstickoxid-emission aus, da in der Reduktionszone, nach derzeitigem Kenntnisstand, die auf niedrigem Ni­ veau in der Hauptfeuerungszone gebildeten Stickoxide weiter reduziert werden.

In der DE-OS 36 14 497 wird weiter vorgeschlagen, die Entgasungseinrichtung für den festen Brennstoff di­ rekt im Rauchgasstrom einer Großfeuerungsanlage, z. B. eines Kraftwerkskessels anzuordnen und so die zur Entgasung des festen Brennstoffes erforderliche Wär­ meenergie aus dem Rauchgas der Großfeuerungsanlage auszukoppeln. Bei dieser Anordnung ist natürlich nur ein gleichzeitiger Betrieb beider Einrichtungen, der Großfeuerungsanlage und der Entgasungseinrichtung, möglich, wobei sich zudem beide Einrichtungen gegen­ seitig beeinflussen. Eine solche Anordnung der Entga­ sungseinrichtung ist darüber hinaus nur bei Neuanlagen möglich.

Aus der DD 239 419 A1 ist ein Integriertes Pyrolyse- Verbrennungsverfahren bekannt bei dem der Kohle die flüch­ tigen Bestandteile unter den Bedingungen einer Wirbel­ schicht durch Schwelung entzogen werden und der Wärmebarf der Schwelung direkt durch Überführung heißer Asche aus ei­ ner Brennkammer in den Schwelreaktor gedeckt wird.

Vorteilhaft bei einem solchen Verfahren ist, daß die Schwelung als Tieftemperaturverkokung bei etwa 450°C bis 600°C einen mäßigen Wärmebedarf erfordert, der durch heiße Asche gedeckt werden kann.

Als besonders nachteilig ist jedoch die Tatsache anzu­ sehen, daß dieser Wärmezustrom durch direkten Wärmeaus­ tausch auch an einen Massestrom gekoppelt ist, der bei ei­ ner Weiterverwendung des entstandenen Gemisches aus Asche, Schwelgas und Schwelkoks als Brennstoff für eine Wirbel­ schichtfeuerung zunächst erfordert, daß das Schwelgas in einem zusätzlichen Abscheidezyklon vom Asche-Schwelkoks- Gemisch getrennt wird. Nur dann kann der Schwelkoks als rußfreier, nichtrauchender Brennstoff gleichzeitig als Re­ duktionsmittel im Brennraum wirken.

Im Hauptpatent 39 04 712 wird daher vorge­ schlagen, die Entgasungseinrichtung von der Großfeuerung betrieblich abzukoppeln und die Entgasung des festen Brenn­ stoffes außerhalb der Großfeuerung in einem Wirbelschicht­ reaktor durchzuführen, wobei die zur Entgasung des festen Brennstoffes erforderliche Wärmeenergie durch Verbrennen von festem Brennstoff in einer gesonderten Wirbelschicht­ feuerung erzeugt wird.

Die Wirbelschichtfeuerung ist dabei innerhalb des Ent­ gasungsreaktors angeordnet. Sie kann in mehrere einzelne Feuerungsräume unterteilt werden, deren Wandungen aus wärmeleitendem Werkstoff bestehen und die erzeugte Wärme unmittelbar auf den zu entgasenden Festbrennstoff übertra­ gen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dieses Verfahren der eingangs beschriebenen Art weiter zu verbessern sowie eine Anlage zur Durchführung des verbesserten Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Brennstoff für die Wirbelschichtfeuerung entgaster Brennstoff von einem als Wirbelschichtreaktor betriebenen Entgasungsreaktor oder Heißgas-Wärmeübertrager verwendet wird.

Der in der Wirbelschichtfeuerung benötigte entgaste Brennstoff kann unmittelbar, z. B. mechanisch, aus dem Wirbelschichtreaktor in die Wirbelschichtfeuerung ge­ fördert werden. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung erfolgt der Brennstoffeintrag aus dem Wir­ belschichtreaktor in die Wirbelschichtfeuerung jedoch zweckmäßigerweise pneumatisch, wobei als Fluidgas ein Gemisch aus einem Inertgas und einem Sauerstoff­ träger verwendet wird.

Durch die Verwendung von entgastem Festbrenn­ stoff auch in der Wirbelschichtfeuerung kann auch hier die Stickoxidemission weitgehend reduziert werden.

Über das Mengenverhältnis Inertgas zum Sauerstoff­ träger bzw. zu dessen Sauerstoffanteil läßt sich der An­ teil des im Inertgas-Sauerstoff-Gemisch enthaltenen Sauerstoffes an den Sauerstoffbedarf der Wirbel­ schichtfeuerung anpassen und damit sowohl ihre Wär­ meleistung regeln als auch ein benötigter Fluidstrom einstellen.

Als Inertgas wird zweckmäßigerweise rezirkuliertes Rauchgas der Wirbelschichtfeuerung verwendet.

Während der Wirbelschichtreaktor ausschließlich mit fein aufgemahlenem Feststoff - ohne zusätzliches iner­ tes Bettmaterial - betrieben wird, wird die Wirbel­ schichtfeuerung zweckmäßigerweise mit einem inerten Bettmaterial, dessen Korngröße größer als die Korn­ größe des entgasten Festbrennstoffes ist betrieben. Da­ durch wird die Wandergeschwindigkeit der verbrennen­ den Feststoffteilchen in der Wirbelschichtfeuerung ver­ zögert und insgesamt eine bessere Temperaturvertei­ lung über die Länge der Wirbelschichtfeuerung und ein besserer Wärmeübergang erreicht.

Eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens mit einer innerhalb des Wirbelschichtreaktors angeordne­ ten und aus einer oder mehreren parallel zueinander angeordneten vertikalen Kammern bestehenden Wir­ belschichtfeuerung zeichnet sich dadurch aus, daß die Kammern in das Wirbelbett des Wirbelschichtreaktors bis oberhalb des Düsenbodens eintauchen und daß un­ terhalb der Kammern Injektordüsen zur Einleitung ei­ nes Inertgas-Sauerstoff-Gemisches zusammen mit ent­ gastem Brennstoff aus dem Wirbelschichtreaktor in die Kammern der Wirbelschichtfeuerung angeordnet sind, wobei die Beschickung des Wirbelschichtreaktors mit frischem, zu entgasendem Brennstoff im Bereich der Wirbelbettoberfläche erfolgt.

Eine weitere Anlage zur Durchführung des Verfah­ rens zeichnet sich dadurch aus, daß die Beschickung des Wirbelschichtreaktors von unten erfolgt und der entga­ ste Brennstoff im Bereich der Bettoberfläche abgezo­ gen wird. Über einen oder mehrere Rückführkanäle wird ein Teil des entgasten Brennstoffes in die Kammer bzw. die Kammern der Wirbelschichtfeuerung geför­ dert. Vor Einmündung des oder der Rückführkanäle in die Kammer bzw. die Kammern der Wirbelschichtfeue­ rung sind Injektordüsen zum pneumatischen Dosieren und Fördern des entgasten Brennstoffes in die Kammer bzw. die Kammern der Wirbelschichtfeuerung vorgese­ hen.

In den Fig. 1 und 2 sind mögliche Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Anlage schematisch darge­ stellt. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anlage ge­ mäß Anspruch 6,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Anlage ge­ mäß Anspruch 7.

Über eine Brennstoffzuführung 11 wird zu entgasen­ der Festbrennstoff in das Wirbelbett 12 eines Wirbel­ schichtreaktors 1 eingebracht. Entgaster Brennstoff wird über Leitung 13 abgezogen und z. B. in einer Groß­ feuerungsanlage verfeuert. Die zur Entgasung des Fest­ brennstoffes erforderliche Wärmeenergie wird in einer innerhalb des Wirbelschichtreaktors 1 angeordneten Wirbelschichtfeuerung 2 durch Verfeuern von im Wir­ belschichtreaktor 1 entgastem Festbrennstoff erzeugt und über Trennwände 21 aus wärmeleitfähigem Materi­ al in den Wirbelschichtreaktor 1 übertragen. Die Wir­ belschichtfeuerung 2 ist dabei zweckmäßigerweise in mehrere parallel zueinander angeordnete vertikale Kammern unterteilt. In den Beispielen der Fig. 1 und 2 sind jedoch zur Vereinfachung der bildlichen Darstel­ lung jeweils nur eine Kammer der Wirbelschichtfeue­ rung 2 eingezeichnet.

Das im Wirbelschichtreaktor 1 erhaltene Gas wird nach Feststoffabscheidung in einem Filtersystem 6 über Leitung 14 abgezogen. Es kann z. B. unmittelbar als Re­ duktionsmittel zur weiteren Stickoxidminderung der mit dem entgasten Festbrennstoff befeuerten Groß­ feuerungsanlage verwendet werden.

Ein Teil des Gases wird über Leitung 15 abgezweigt und, ggf. über eine weitere Gasreinigung 3, ein Gebläse 4 und ein Düsensystem 16 als Fluidisierungsgas in den Wirbelschichtreaktor 1 zurückgeführt.

Der Eintrag von entgastem Brennstoff in die Wirbel­ schichtfeuerung 2 erfolgt pneumatisch durch am Eintritt in die einzelnen Kammern der Wirbelschichtfeuerung 2 angeordnete - in den Figuren nur schematisch ange­ deuteten - Injektordüsen 26, wobei als Fördergas und als Fluidisierungsgas ebenfalls über Leitung 25 zuge­ führtes Inertgas und/oder Brennluft dient. Als Inertgas wird zweckmäßigerweise Rauchgas aus der Rauchgas­ ableitung 23 der Wirbelschichtfeuerung 2 verwendet. Das Verhältnis Rauchgas zu Brennluft kann dabei ent­ sprechend dem Sauerstoffbedarf der Wirbelschichtfeue­ rung 2 eingestellt werden.

Im Beispiel der Fig. 1 enden die Kammern der Wir­ belschichtfeuerung 2 innerhalb des Wirbelbettes 12, wo­ bei der Eintrag von entgastem Brennstoff in das Wirbel­ bett 22 der Wirbelschichtfeuerung 2 infolge der Sogwir­ kung der Injektordüsen 26 unmittelbar aus dem Bereich oberhalb des Düsenbodens 17 des Wirbelbettes 12 des Wirbelschichtreaktors 1 erfolgt. Die Beschickung des Wirbelschichtreaktors 1 mit frischem zu entgasendem Festbrennstoff erfolgt in diesem Falle im Oberflächen­ bereich seines Wirbelbettes 12.

Im Beispiel der Fig. 2 erfolgt die Beschickung des Wirbelschichtreaktors 1 mit frischem, zu entgasendem Festbrennstoff über die Brennstoffzuführung 11 von un­ ten durch den Düsenboden 17. Die Rückführung von entgastem Festbrennstoff zur Wirbelschichtfeuerung 2 erfolgt im gezeichneten Beispiel über Rückführkanäle 18 und 6 aus dem Oberflächenbereich des Wirbelbettes 12 des Wirbelschichtreaktors 1 von unten in die Wirbel­ schichtfeuerung 2. Die Einleitung von entgastem Fest­ brennstoff in die Wirbelschichtfeuerung 2 kann aber auch von oben durch einen obenliegenden Rückführka­ nal erfolgen.

Zur Unterstützung der Rückführung und Dosierung von entgastem Brennstoff in die Wirbelschichtfeuerung 2 wird über Düsen 19 zusätzliches Fördergas in die Rückführkanäle 18, 6 geleitet, wobei als zusätzliches Fördergas zweckmäßigerweise ein Inertgas verwendet wird. Der unmittelbare Eintrag des Brennstoffes in die Wirbelschichtfeuerung 2 erfolgt zusammen mit dem über Düsen 26 eingeleiteten Inertgas-Sauerstoffträger- Gemisch. Dabei kann es zur Deckung des Sauerstoffbe­ darfes zweckmäßig sein - z. B. zur Reduzierung der Wirbelgeschwindigkeit in der Wirbelschichtfeuerung 2 - als Sauerstoffträger mit Sauerstoff angereicherte Brennluft zu verwenden oder die Wirbelschichtfeue­ rung unter Druck zu betreiben und verdichtete Brenn­ luft einleiten.

Claims (7)

1. Verfahren zur Entgasung von festem Brennstoff in einem Wirbelschichtreaktor, wobei die zur Entgasung erforder­ liche Wärmeenergie in einer Wirbelschichtfeuerung er­ zeugt und in den Wirbelschichtreaktor eingekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff für die Wirbelschichtfeuerung ent­ gaster Brennstoff von einem als Wirbelschichtreaktor betriebenen Entgasungsreaktor oder Heißgas-Wärmeüber­ trager verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, das entgaster Brennstoff unmittelbar dem Wirbelschichtreaktor entnommen und in die Wir­ belschichtfeuerung eingebracht wird, wobei der Brennstoffeintrag in die Wirbelschichtfeuerung pneumatisch erfolgt und als Förder- und Fluidisie­ rungsgas ein Intertgas-Brennluft-Gemisch verwen­ det wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Mischungsverhältnis Inertgas zu Brennluft entsprechend dem Sauerstoffbedarf der Wirbelschichtfeuerung geregelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Inertgas Rauchgas aus der Wirbelschichtfeuerung zurückgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wirbelschicht­ feuerung ein inertes Bettmaterial, dessen Korngrö­ ße größer als die Korngröße des entgasten Fest­ brennstoffes ist, eingesetzt wird.

6. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, mit einer innerhalb des Wirbelschichtreaktors angeordneten, aus einer oder mehreren parallel zueinander angeordneten, vertikalen Kammern bestehenden Wirbelschicht­ feuerung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brenn­ stoffzuführung 11 zum Einbringen von zu entga­ sendem festem Brennstoff in den Bereich der Wir­ belbettoberfläche des Wirbelbettreaktors 1 vorge­ sehen ist, daß die Kammern der Wirbelschichtfeue­ rung 2 in das Wirbelbett 12 des Wirbelschichtreak­ tors 1 eintauchend angeordnet sind und daß unter­ halb der Kammern Injektordüsen 26 zur Einleitung eines Inertgas-Brennluft-Gemisches zusammen mit entgastem Brennstoff aus dem Wirbelschichtreak­ tor 1 in die Kammern der Wirbelschichtfeuerung 2 vorgesehen sind.

7. Anlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennstoffzu­ führung 11 zum Einbringen von zu entgasendem festem Brennstoff in den Bereich des Düsenbodens 17 des Wirbelschichtreaktors 1 vorgesehen ist, daß eine oder mehrere Rückführkanäle 18, 6 zur Zufüh­ rung von entgastem festem Brennstoff aus dem Be­ reich der Wirbelbettoberfläche des Wirbelschicht­ reaktors 1 in der Wirbelschichtfeuerung 2 vorgese­ hen sind und daß in den Rückführkanälen 18, 6 Injektordüsen 19, 26 zum pneumatischen Fördern von entgastem Festbrennstoff bzw. zur Einteilung von Inertgas oder eines Inertgas-Sauerstoff-Gemi­ sches mit entgastem Brennstoff in die Kammern der Wirbelschichtfeuerung 2 vorgesehen sind.