DE4200685C2 - Verfahren und Vorrichtungen zur Abscheidung flüssiger Asche - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abscheidung flüssiger Asche aus dem bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe anfallenden Abgas, bei dem das aschehaltige Abgas, welches eine Temperatur von 1200 bis 1800°C, einen Druck von 1 bis 100 bar, vorzugsweise 1 bis 30 bar, sowie einen Aschegehalt von 0,1 bis 60 g/Nm³ hat, nach dem Verlassen der Brennkammer durch mindestens einen Zyklon geführt wird, bevor es anschließend in einer Gasturbine sowie einem Dampferzeuger mit dem Ziel der Energiegewinnung genutzt wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

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. Abhängig von der Ausführung der Verbrennungseinrichtung (z. B. Schmelzkammerfeuerung), dem Brennstoff und auch dem Sauerstoffgehalt des sauerstoffhaltigen Gases wird eine sehr hohe Verbrennungstemperatur erreicht, die dazu führt, daß das bei der Verbrennung gebildete Abgas die Brennkammer mit einer Temperatur von 1200 bis 1800°C verläßt und die bei der Verbrennung gebildete Asche in geschmolzener, flüssiger Form anfällt. Es ist ferner bekannt, daß Abgase, die bei der Verbrennung unter Druck anfallen und eine hohe Temperatur aufweisen, vorteilhaft zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden können, da ihr Energiegehalt von einer Gasturbine mit sehr gutem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgewandelt wird. Der restliche Wärmeinhalt des die Gasturbine verlassenden Verbrennungsabgases kann in vorteilhafter Weise zur Erzeugung von Dampf in einem Dampfkessel genutzt werden. Aus energetischer und wirtschaftlicher Sicht ist also die Erzeugung von Verbrennungsabgasen anzustreben, die unter Druck stehen und eine möglichst hohe Temperatur aufweisen, wobei diese Temperatur zwischen 1200 und 1800°C liegen soll. Mit der Erzeugung eines derartigen Verbrennungsabgases 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 Verbrennungsabgases in einer Gasturbine muß die flüssige Asche weitgehend quantitativ aus dem Verbrennungsabgas entfernt werden, da die Gasturbine andernfalls durch die sich ablagernden und verfestigenden Aschetröpfchen zerstört würde.

Aus DE-PS 8 49 507 ist ein Fliehkraft-Staubabscheider bekannt, bestehend aus mehreren parallel geschalteten Abscheiderrohren mit Staubauslaßenden, die reihenweise in aus dem Gaskanal nach außen führenden Staubfallrohren zusammengefaßt sind. Für den Fall, daß zwei Reihen von Abscheiderrohren ein gemeinsames Staubfallrohr haben, werden die Auslaßenden im Verhältnis zu den Längsachsen der Abscheiderrohre schräg geführt. Das Gas kann nur von oben nach unten geführt werden. Beim Durchleiten eines Abgases, das flüssige Asche enthält, würde die Verfestigung der flüssigen Asche zu Ablagerungen an den Innenwänden der Abscheiderrohre sowie der kurzen dünnen Auslaßenden und der langen dünnen Staubfallrohre führen.

Aus US-PS 1 517 597 ist eine Staub-Abscheidervorrichtung bekannt, bestehend aus vier hintereinander angeordneten Staubabscheiderrohren, wobei nach dem zweiten Staubabscheiderrohr eine Gebläsevorrichtung angeordnet ist. Die zwei Staubabscheiderrohre, die hinter der Gebläsevorrichtung stromabwärts angeordnet sind, weisen im Verhältnis zu den Längsachsen schräg geführte Auslaßrohre auf. Die Auslaßrohre sind vorzugsweise mit geschlossenen Behältern verbunden. In den Behältern wird Material gesammelt, das aus den Staubabscheiderrohren stammt.

Die eingeblasene Luft kann aus den geschlossenen, unter Druck stehenden, Behältern nicht entweichen. Die Verfestigung von flüssiger Asche würde bei dieser Vorrichtung bereits in den ersten beiden Staubabscheiderrohren und in der Gebläsevorrichtung durch Verfestigung Ablagerungen an den Innenwänden hervorrufen, die den Betrieb der Staubabscheidervorrichtung nach kürzester Zeit stark behindern würden.

Aus der DE-OS 39 07 457 ist bereits ein Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen bekannt. Bei diesem Verfahren hat es sich als nachteilig erwiesen, daß die zur teilweisen Abscheidung der flüssigen Asche verwendeten Zyklone in unregelmäßigen Abständen "einfrieren", d. h., daß sich die flüssige Asche während des Abfließens aus dem Zyklon teilweise verfestigt und an der Innenwand der Zyklone feste Ablagerungen bildet, die eine ordnungsgemäße Fahrweise der Zyklone verhindern und außerordentlich schwer aus den Zyklonen entfernt werden können. Wird beim bekannten Verfahren unter dem Zyklon ein Wasserbecken zur Schlackengranulierung angeordnet, in das die flüssige Asche einfließt, so wird aus dem Wasserbecken durch den im Zyklon vorhandenen Gaswirbel eine unterschiedlich große Wassermenge eingesogen, wodurch die Verfestigung der flüssigen Asche im Zyklon außerordentlich begünstigt wird. Verstärkt wird dieser Effekt noch durch den aus dem Wasserbecken aufsteigenden Wasserdampf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem die Entstehung von festen Ascheablagerungen im Zyklon zuverlässig verhindert wird, so daß die Abscheidung der flüssigen Asche über einen sehr langen Zeitraum mit gleichbleibender Leistung gewährleistet ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des verbesserten Verfahrens zu schaffen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird einmal dadurch gelöst, daß das Abgas durch in Schrägstellung betriebene Zyklone geführt wird, wobei die flüssige Asche aus den Zyklonen über Leitungen, deren Achsen gegenüber den Zyklonachsen geneigt sind, in ein Wasserbecken abfließt. Ein Zyklon befindet sich dann in Schrägstellung, wenn seine Achse nicht senkrecht ausgerichtet, sondern zur Senkrechten in einem Winkel von 5 bis 85° angeordnet ist. Die flüssige Asche sammelt sich wegen der Neigung des Zyklons im unteren Bereich der Zykloninnenwand und fließt in Form eines gebündelten Strahls ab, wodurch der Wärmeinhalt weitgehend in der flüssigen Asche verbleibt. Dadurch, daß die Achsen von Zyklon und Leitung keine Gerade bilden, sondern gegeneinander geneigt sind, wird die Ausbildung des gebündelten Aschestrahls noch unterstützt und die Wirkung des im Zyklon befindlichen Gaswirbels wesentlich abgeschwächt. Bei der erfindungsgemäßen Schrägstellung kann das aschehaltige Abgas sowohl von oben nach unten - also absteigend - als auch von unten nach oben - also aufsteigend - durch den Zyklon geführt werden.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens treten keinerlei Betriebsstörungen auf, wenn die Asche in ein Wasserbecken einfließt. Durch die erfindungsgemäße Schrägstellung der einzelnen Zyklone bzw. der dem Ascheabfluß dienenden Leitungen wird nämlich in vorteilhafter Weise erreicht, daß der im Zyklon vorhandene Gaswirbel nicht mit dem im Wasserbecken befindlichen Wasser in eine nachteilige Wechselwirkung treten kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Abgas durch in unterschiedlicher Schrägstellung betriebene Zyklone geführt wird. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird bei Verwendung mehrerer hintereinander geschalteter Zyklone eine Verbesserung der Abscheideleistung erreicht.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird zum anderen dadurch gelöst, daß das Abgas durch in senkrechter Stellung betriebene Zyklone geführt wird, wobei die flüssige Asche aus den Zyklonen über eine schräggeführte Leitung in ein Wasserbecken abfließt. Ein Zyklon befindet sich in senkrechter Stellung, wenn seine Achse senkrecht ausgerichtet ist. Die Leitung ist dann schräggeführt, wenn ihre Achse und die senkrechte Achse des Zyklons einen Winkel von 5 bis 85° bilden.

Dadurch, daß die flüssige Asche den Zyklon über eine schräggeführte Leitung verläßt, wird ebenfalls erreicht, daß die Wirkung des im Zyklon befindlichen Gaswirbels zurückgedrängt und die Asche in einem gebündelten Strahl abfließt, wodurch der Wärmeinhalt weitgehend in der flüssigen Asche verbleibt.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß das Abgas nach Verlassen des letzten Zyklons auf eine dem Zyklon bzw. den Zyklonen nachgeschaltete Prallfläche geführt wird. Obwohl bereits in einem Zyklon immer mehr als 80% der flüssigen Asche abgeschieden werden und dieser Wirkungsgrad durch die Hintereinanderschaltung von zwei oder drei Zyklonen bis auf mehr als 99% verbessert werden kann, hat es sich in einigen Fällen bewährt, wenn hinter dem letzten Zyklon noch eine Prallfläche angeordnet ist, die aus dem Abgas letzte Reste flüssiger Asche abtrennt, so daß im Reingas Aschegehalte bis unter 5 mg/Nm³ erreicht werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch die Schaffung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus mindestens einem schräggestellten Zyklon besteht, von denen jeder einen Abgaseinlaß, einen Abgasauslaß sowie einen als gegen die Zyklonachse geneigte Leitung gestalteten Ascheauslaß aufweist und unter denen ein Wasserbecken angeordnet ist, das mit den Zyklonen gasdicht verbunden ist. Das aschehaltige Abgas tritt durch den Abgaseinlaß bevorzugt tangential in den Zyklon ein, während es den Zyklon bevorzugt axial über ein Tauchrohr verläßt. Die Asche fließt aus dem Zyklon am unteren Ende über einen als Leitung gestalteten Ascheauslaß ab, deren Achse mit der Zyklonachse keine Gerade bildet, sondern gegenüber der Zyklonachse geneigt ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch die Schaffung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus mindestens einem senkrecht stehenden Zyklon besteht, von denen jeder einen Abgaseinlaß, einen Abgasauslaß sowie einen als schräggeführte Leitung gestalteten Ascheauslaß aufweist und unter denen ein Wasserbecken angeordnet ist, das mit den Zyklonen gasdicht verbunden ist. Das aschehaltige Abgas tritt durch den Abgaseinlaß bevorzugt tangential in den Zyklon ein, während es den Zyklon bevorzugt axial über ein Tauchrohr verläßt.

Die Abscheideleistung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen kann erhöht werden, wenn die Zyklone in Reihe hintereinander angeordnet sind. So konnten mit zwei hintereinander geschalteten Zyklonen Entstaubungsleistungen von mehr als 99% erreicht werden.

Nach der Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Reingasleitung mit dem Gasraum des Wasserbeckens verbunden ist. Wegen des unterschiedlichen Druckes zwischen Wasserbecken und Reingaskanal wird dadurch eine Strömung in den Reingaskanal bewirkt, durch die vor allem Wasserdampf aus dem Wasserbecken abtransportiert wird. Dadurch wird das Einfrieren von Schlacke im Zyklon vermieden. Die beim Druckausgleich in das Reingas gelangende Wasserdampfmenge beeinflußt die Eigenschaften des Reingases nicht nachteilig und erniedrigt die Reingastemperatur nur unwesentlich.

Obwohl aus Ullmanns Encyklopädie der Technischen Chemie, 4. Auflage, Band 2, 1972, Seiten 365 bis 366, eine Zyklonfeuerung bekannt ist, bei der die Asche - begünstigt durch eine schwache Neigung des als Brennkammer dienenden Zyklons - durch eine Aussparung in der Vorderwand des Zyklons abfließt, wurde der Fachmann durch diesen Stand der Technik nicht zur Schaffung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtungen angeregt, denn es ist bekannt, daß die aus Zyklonfeuerungen austretenden entaschten Abgase nicht soweit gereinigt sind, daß sie einer Gasturbine zugeführt werden könnten. Erst durch die räumliche Trennung von Brennkammer und den der Abtrennung der flüssigen Asche dienenden Zyklonen wird eine Entstaubungsleistung erzielt, welche die Entstaubungsleistung einer Zyklonfeuerung weit übertrifft. Dieser Effekt wird dadurch begünstigt, daß die räumliche Trennung von Brennkammer und schräggestelltem oder senkrecht angeordnetem Zyklon das Hintereinanderschalten mehrerer der Abscheidung flüssiger Asche dienenden Zyklone ermöglicht. Vor allem wird aber dadurch, daß die Zyklonachse und die Achse des Ascheauslasses gegeneinander geneigt sind, das "Einfrieren" der Zyklone vermieden. Diese vorteilhafte Wirkung wird noch durch die Schrägstellung des Zyklons unterstützt.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung sowie eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit senkrecht gestellten Zyklonen,

Fig. 2 schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit schräggestellten Zyklonen.

Die Fig. 1 und 2 verdeutlichen den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in den entsprechend der Erfindung gestalteten zwei Vorrichtungen. Das aus der in der Zeichnung nicht dargestellten Brennkammer austretende Abgas 1 hat eine Temperatur von ca. 1300°C. Im Abgas 1 sind pro Nm³ ca. 8 g flüssige Asche in Form fein verteilter Tröpfchen suspendiert. Das Abgas 1 gelangt durch einen Abgaseinlaß 2a in den Zyklon 3a, der senkrecht steht (Fig. 1) oder zur Senkrechten in einem Winkel α₁ von 45° schräggestellt ist (Fig. 2). Im Zyklon 3a wird das tangential eingeführte Abgas 1 in Rotation versetzt, wobei sich mehr als 80% der im Abgas 1 suspendierten Aschetröpfchen abscheiden. Der Zyklon 3a ist zur Vermeidung von Wärmeverlusten isoliert. Die abgetrennte flüssige Asche fließt aus dem Zyklon 3a über einen Ascheauslaß 5a als Strahl 14a ab, der als gegenüber der Zyklonachse 15a geneigte bzw. schräggestellte Leitung ausgeführt ist. Das teilweise entaschte Abgas wird über ein als Abgasauslaß 4a wirkendes Tauchrohr aus dem Zyklon 3a abgeführt.

Anschließend gelangt das vorentaschte Abgas über eine als Abgaseinlaß 2b wirkende Leitung in den Zyklon 3b, der senkrecht gestellt ist (Fig. 1) oder dessen Achse 15b zur Senkrechten einen Winkel α₂ von 30° bildet (Fig. 2). Im Zyklon 3b, der zur Vermeidung von Wärmeverlusten isoliert ist, wird die noch im Abgas suspendierte flüssige Asche nahezu quantitativ abgeschieden. Die Reinigungsleistung der beiden hintereinander geschalteten Zyklone 3a, 3b liegt oberhalb 99%. Die flüssige Asche fließt aus dem Zyklon 3b als Strahl 14b über einen Ascheauslaß 5b ab, der als gegenüber der Zyklonachse 15b geneigte bzw. schräggestellte Leitung ausgeführt ist. Das entaschte Abgas verläßt den Zyklon 3b über ein als Abgasauslaß 4b wirkendes Tauchrohr. Das Abgas gelangt anschließend - soweit dies überhaupt noch notwendig ist - über eine Leitung 6 in einen Prallabscheider 7, wo auch allerfeinste Partikel aus dem Abgas entfernt werden. Das gereinigte heiße Abgas wird über eine Reingasleitung 8 einer Gasturbine zugeführt, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Das gereinigte heiße Abgas enthält pro Nm³ weniger als 5 mg flüssige Asche, wobei der mittlere Durchmesser dieser Aschepartikel weit unter 10 µm liegt.

Die aus den Zyklonen 3a, 3b über die Leitungen 5a, 5b abfließende flüssige Asche gelangt in Wasserbecken 9a, 9b, die mit den Zyklonen 3a, 3b gasdicht verbunden sind. In den Wasserbecken 9a, 9b erstarrt die flüssige Asche zu einem glasartigen Granulat, das über Leitungen 10a, 10b aus den Wasserbecken 9a, 9b entnommen wird. Den Wasserbecken 9a, 9b wird Frischwasser über Leitungen 11a, 11b zugeführt, da ständig eine bestimmte Wassermenge durch die einfließende flüssige Asche verdampft. Gasräume 12a, 12b der Wasserbecken 9a, 9b stehen über Leitungen 13a, 13b mit der Reingasleitung 8 über die Leitungen 2b und 6 in Verbindung, wodurch ein Druckausgleich zwischen Wasserbecken und Entaschungsvorrichtung erreicht und gleichzeitig entstehender Wasserdampf abtransportiert wird. Der über die Leitungen 13a, 13b in das Reingas gelangende Wasserdampf beeinflußt dessen Eigenschaften nicht nachteilig.

Bei Versuchen mit zwei hintereinander geschalteten, schräggestellten Zyklonen wurde folgendes Ergebnis erreicht:

Rauchgasmenge (Nm³/h)
1220
Rauchgastemperatur (°C)	1320
Rauchgasdruck (bar)	12,9
Aschegehalt im Rauchgas (g/Nm³)	7,9
Aschegehalt im Reingas (g/Nm³)	0,004

Versuche mit senkrecht gestellten Zyklonen sowie schräggeführten als Ascheauslaß gestalteten Leitungen haben dieses Ergebnis bestätigt. Bei den Versuchen war den beiden Zyklonen jeweils ein Prallabscheider nachgeschaltet.

Claims (8)

1. Verfahren zur Abscheidung flüssiger Asche aus dem bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe anfallenden Abgas, bei dem das aschehaltige Abgas, welches eine Temperatur von 1200 bis 1800°C, einen Druck von 1 bis 100 bar, vorzugsweise 1 bis 30 bar, sowie einen Aschegehalt von 0,1 bis 60 g/Nm³ hat, nach dem Verlassen der Brennkammer durch mindestens einen Zyklon geführt wird, bevor es anschließend in einer Gasturbine sowie einem Dampferzeuger mit dem Ziel der Energiegewinnung genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas durch in Schrägstellung betriebene Zyklone geführt wird, wobei die flüssige Asche aus den Zyklonen über Leitungen, deren Achsen gegenüber den Zyklonachsen geneigt sind, in ein Wasserbecken abfließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas durch in unterschiedlicher Schrägstellung betriebene Zyklone geführt wird.

3. Verfahren zur Abscheidung flüssiger Asche aus dem bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe anfallenden Abgas, bei dem das aschehaltige Abgas, welches eine Temperatur von 1200 bis 1800°C, einen Druck von 1 bis 100 bar, vorzugsweise 1 bis 30 bar, sowie einen Aschegehalt von 0,1 bis 60 g/Nm³ hat, nach dem Verlassen der Brennkammer durch mindestens einen Zyklon geführt wird, bevor es anschließend in einer Gasturbine sowie einem Dampferzeuger mit dem Ziel der Energiegewinnung genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas durch in senkrechter Stellung betriebene Zyklone geführt wird, wobei die flüssige Asche aus den Zyklonen über eine schräggeführte Leitung in ein Wasserbecken abfließt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas nach Verlassen des letzten Zyklons auf eine dem Zyklon bzw. den Zyklonen nachgeschaltete Prallfläche geführt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mindestens einem schräggestellten Zyklon (3a, 3b) besteht, von denen jeder einen Abgaseinlaß (2a, 2b), einen Abgasauslaß (4a, 4b) sowie einen als gegen die Zyklonachse (15a, 15b) geneigte Leitung gestalteten Ascheauslaß (5a, 5b) aufweist und unter denen ein Wasserbecken (9a, 9b) angeordnet ist, das mit den Zyklonen (3a, 3b) gasdicht verbunden ist.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mindestens einem senkrecht stehenden Zyklon (3a, 3b) besteht, von denen jeder einen Abgaseinlaß (2a, 2b), einen Abgasauslaß (4a, 4b) sowie einen als schräggeführte Leitung gestalteten Ascheauslaß (5a, 5b) aufweist und unter denen ein Wasserbecken (9a, 9b) angeordnet ist, das mit den Zyklonen (3a, 3b) gasdicht verbunden ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zyklone (3a, 3b) in Reihe hintereinander angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reingasleitung (8) mit dem Gasraum (12a, 12b) des Wasserbeckens (9a, 9b) verbunden ist.