DE4233724A1 - Verfahren zur abscheidung von feststoffpartikeln aus heissen verbrennungsabgasen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abschei­ dung von Feststoffpartikeln aus heißen Verbrennungsabga­ sen, vorzugsweise aus Wirbelschichtöfen und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Verbrennungsanlagen, in denen Stoffe verbrannt oder thermisch behandelt werden, die halogenierte Kohlenwas­ serstoffe enthalten, müssen mit einer Nachbrennkammer ausgerüstet sein, falls die Betriebstemperatur des Ver­ brennungsaggregates unter 1200°C liegt. Dies trifft u. a. für Wirbelschichtöfen, beispielsweise zur thermischen Be­ handlung kontaminierter Böden zu, deren Ofentemperaturen typisch im Bereich von 800 bis 900°C liegen. In der Nachbrennkammer wird das Ofenabgas durch Zufeuern von Öl oder Gas auf eine Temperatur von mindestens 1200°C gebracht, wobei eine Verweilzeit von mindestens 2 Sekunden bei dieser Temperatur eingehalten wird.

Mit dieser Maßnahme soll sichergestellt werden, daß mög­ lichst alle halogenierten Kohlenwasserstoffe und andere Verbindungen, die im Abgassystem zur Bildung von organi­ schen Schadstoffen führen, irreversibel zerstört werden, so daß es nicht zur Emission von toxischen organischen Stoffen kommt.

Diese Nachbrennkammern werden i.a. als einfache Rohrreak­ toren ausgeführt, in denen das Abgas und die Flamme der Zusatzfeuerung im Gleichstrom geführt werden. Der Quer­ schnitt des Reaktors wird so gewählt, daß sich ein turbu­ lenter Strömungszustand einstellt.

Der damit verbundene turbulente Queraustausch bewirkt die erforderliche Vermischung zwischen den Abgasen und der Flamme. Die zur vollständigen Homogenisierung erforderli­ chen Lauflängen sind allerdings beträchtlich. Ohne zusätzliche, den Mischungsvorgang unterstützende Maßnah­ men, betragen die Homogenisierungslängen im geraden Rohr das 30-50 fache des Rohrdurchmessers, in ungünstigen Fällen sogar das 100 fache. Durch mehrfaches Umlenken des Gasstroms, das i.a. aus anderen, anlagentechnischen Gründen notwendig ist, läßt sich diese Länge zwar verkür­ zen, dennoch erfordert eine solche Nachbrennkammer erheb­ lichen Bauaufwand.

Ist das Abgas, das nachverbrannt werden muß, mit Staub be­ laden, dessen Erweichungspunkt im Bereich von 1200°C liegt, muß im Dauerbetrieb damit gerechnet werden, daß der Staub an den Kammerwänden anbackt. Dadurch wird der freie Strömungsquerschnitt der Kammer verringert und ihr Druck­ verlust erhöht, was letztlich zu einem Betriebsstillstand führen kann. Die Einrichtungen zur Beseitigung dieser An­ backungen, z. B. durch Abschmelzen oder Abreinigen, sind aufwendig und nicht hinreichend betriebssicher.

Während die Nachverbrennung bei Drehrohröfen in der Abgas­ führung erfolgt, die zum System gehört, müssen die Wirbel­ schichtöfen durch zusätzliche Investitionen mit einer Nachbrennkammer ausgerüstet werden, die zu Kostennach­ teilen führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Nachverbrennung bereitzustellen, die bei kleinem Bau­ volumen eine ausreichende Reaktion sicherstellt und das Problem der Ablagerungen vermeiden läßt.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das mit mehr als 750°C die Verbrennungsanlage verlassende Verbrennungsabgas in einen Hochtemperaturzyklon geleitet wird und dort unter Zufuhr von Verbrennungsluft und gegebenenfalls Zusatz­ brennstoff nachverbrannt wird. Die Nachverbrennung erfolgt zweckmäßigerweise bei Temperaturen von 700-1200°C. Der Hochtemperatur-Zyklon mit der Nachbrennvorrichtung kann direkt an den Freibordraum eines Wirbelschichtofens ange­ schlossen werden. Das staubbeladene Abgas gelangt dabei aus dem Wirbelschichtofen in die Zyklonkammer mit defi­ nierter Eintrittsgeschwindigkeit unter definiertem Winkel. Nach Reaktionen und Feststoff-Gas-Trennung wird das weit­ gehend entstaubte heiße Abgas über das Tauchrohr mit an­ schließendem Wärmetauscher zur Abgasreinigung geleitet.

Im Vergleich zur bisherigen Praxis steht dabei nur noch eine geringe Staubmenge kleiner Korngröße mit dem abküh­ lenden Abgas in Kontakt. Dies hat zur Folge, daß nur noch eine geringe Staubmenge infolge der Reaktionen im Tempe­ raturbereich 1200 bis 200°C (in Richtung der Abgasküh­ lung) durch Kondensation von Schwermetallen kontaminiert werden kann. Hierdurch wird die zu entsorgende Reststoff­ menge erheblich reduziert.

Die Trennung der Grobfraktion des Staubes von Abgas bei hohen Temperaturen in der Zyklon-Nachbrennkammer hat zur Folge, daß die abgeschiedene Staubfraktion bei geeigneter Prozeßführung (d. h. durch geeignete Einstellung der Tempe­ ratur und der Sauerstoffpartialdrucke in den Hochtempera­ turzonen, z. B. Temperatur < 700°C Sauerstoffpartialdruck in der Gasphase < 0,05 bar) weitgehend frei ist von Schwermetallen, die in elementarer Form oder in Form von Verbindungen verflüchtigt werden können. Die hohe Turbulenz im Zyklon, die durch den Einsatz der Zusatzbren­ ner verstärkt wird, begünstigt dabei den Ablauf der Ver­ flüchtigungsreaktionen. Der aus der Zyklon-Brennkammer ab­ gezogene Staub kann entweder einer Verwertung oder Nachbe­ handlung (wie die Wirbelschichttasche) zugeführt oder als Bettmaterial für die Wirbelschicht verwendet werden.

Durch die Einkopplung der Zyklonnachbrennkammer werden die in der Abgasbehandlung des Wirbelschichtofens eingesetzten Gasreinigungsstufen wie Schlauchfilter, Wäscher usw. entlastet.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung vorgeschlagen die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Hochtemperatur-Zyklon gleichzeitig als Nach­ brennkammer mit ein oder mehreren Brennern ausgebildet ist. Die Brenner können dabei in Abgasströmungsrichtung brennen, im Einlaufkanal und/oder am Umfang des Abscheide­ raumes und gegebenenfalls auch im Austragskegel nach oben in Richtung des Tauchrohres im Zyklon angeordnet sein.

Bei Anordnung des Brenners im Einlaufkanal des Zyklonen wird der Impulsstrom des Brenners vorteilhaft ausgenutzt, um zusätzlich die Rotation der Strömung im Zyklon aus zu­ treiben und damit die Abscheideleistung zu erhöhen. Die hohe Turbulenz im Zyklon bewirkt eine innige Durchmischung zwischen der Flamme und dem Abgas, so daß spätestens im Tauchrohr praktisch Homogenität vorliegt, d. h., daß die Nachbrennung in kurzer Zeit abgeschlossen wird.

Der durch die Fliehkraftwirkung der Rotationsströmung an der Zyklonwand abgeschiedene Staub bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit schraubenförmig nach unten. Dadurch ent­ steht ein abbrasiver Effekt, der die Ausbildung statio­ närer Ablagerungen verhindert. Partikel, die teilweise oder vollständig geschmolzen und abgeschieden wurden, er­ kalten beim Auftreffen auf die Staubschicht und werden, der Bewegung des Staubes folgend, im Zyklonmund ausgetra­ gen.

Feinst-Partikel, die primär nicht abgeschieden wurden und anschmelzen, können während ihrer Verweilzeit im Zyklon mit anderen Partikeln koaleszieren. Die sich ausbildenden größeren Partikelaggregate unterliegen dem Abscheidekri­ terium und werden, bevor sie ins Tauchrohr gelangen, abgeschieden.

Ist die Staubbeladung des Abgases hoch, können ein oder mehrere Brenner auf dem Umfang des Abscheideraums ange­ ordnet werden, wobei die Flammen sekantial in das schon weitgehend staubbefreite Abgas brennen. Auch hierbei unterstützen die Flammen die Drehbewegung der Hauptströ­ mung. Partikel, die durch die Drehbewegung der Hauptströ­ mung zur Flamme getragen werden, werden durch diese zu­ nächst in die Hauptströmung zurück dispergiert und können nach den beschriebenen Mechanismen abgeschieden werden. Auf der der Drehströmung abgewandten Seite der Flamme wird die Zyklonwand durch diese von Anbackungen freigehalten. Temporär auftretende Schmelzprodukte, die in Richtung Zyklonmund ablaufen, werden durch die reinigende Wirkung des umlaufenden Feststoffes abgetragen. Das sekantiale Einblasen der Flamme(n) erhöht die Turbulenz im Zyklon und verstärkt die Mischwirkung.

In einer weiteren Ausführung des Reaktors ist der Brenner auf der Achse des Zyklons im Austragkegel angebracht und brennt nach oben in das Tauchrohr. Das in das Tauchrohr drehend einströmende, gereinigte Abgas hat eine zentrie­ rende Wirkung auf die Flamme, so daß die Teile des Zy­ klons, die außerhalb der gedachten Verlängerung des Tauch­ rohres liegen, vor dem Einfluß der Flamme geschützt werden. Die Flamme kann so geführt werden, daß das Tauch­ rohr von Anbackungen freigehalten werden kann. Das Tauch­ rohr kann entweder wassergekühlt sein oder aus einem korrosionsfesten Hochtemperaturwerkstoff bestehen. In diesem Fall ist die äußere Mantelfläche des Tauchrohres eine zusätzliche Wärmeübertragungsfläche, an der das um das Tauchrohr rotierende Abgas vorgewärmt wird.

Die Dimensionierung des Zyklons erfolgt unter Berücksich­ tigung der jeweiligen Verhältnisse nach den bekannten Gesetzmäßigkeiten, wobei der Einfluß des Brenners zu berücksichtigen ist. Die Innenseite des Zyklons wird mit geeignetem keramischen Material ausgemauert oder gestampft, wobei der Wandaufbau zu Minimierung der Wärme­ verluste mehrschichtig ausgeführt wird.

Zusammenfassend ergeben sich bei Anwendung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens beziehungsweise der Zyklonennach­ brennkammer die folgenden Vorteile:

• - Vervollständigung der Verbrennung und der dabei ablau­ fenden Reaktion von gasförmigen Komponenten sowie zwischen gasför­ migen und festen Reaktionskomponeneten
• - Verflüchtigung von Schwermetallen
• - Trennung der gereinigten Grobfraktionen vom Abgas
• - Entlastung der Abgasreinigung
• - Gewinnung eines zusätzlichen und verwertbaren Reaktionsproduktes
• - Verringerung der zu deponierenden oder aufwendig aufzuarbeitenden Reststoffmenge bei der thermischen Behandlung von Abfall- und Reststoffen in Verbrennungsanlagen, insbesondere bei Einsatz von Wirbelschichtöfen.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Fig. 1 und 2 beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt durch die schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Hochtemperaturzyklons.

Fig. 2 ist ein waagerechter Schnitt nach der Linie I-I von Fig. 1.

Das heiße Rohgas tritt über den Rohgaseintritt 5 in den Hochtemperaturzyklon 1 ein und wird durch Zugabe von Verbrennungsluft und gegebenenfalls zusätzlichen Brenn­ stoff über den im Einlaufkanal 8 angeordneten Brenner 2 einer Nachverbrennung unterzogen. Auf dem weiteren kreis­ förmigen Weg innerhalb des Abscheiderraumes dienen die durch die Außenwand sekantial nach innen gerichteten Brenner 3 ebenfalls zur Nachverbrennung. Der im Zyklon abgeschiedene Staub wird über den Staubaustrag 7 abgezogen und eventuell zum Verbrennungsofen zurückgeführt. Im Aus­ tragskegel des Zyklons befindet sich zusätzlich ein nach oben in Richtung des Tauchrohres 9 brennender Brenner 4, damit auch die zum Reingasaustritt 6 mitgerissenen Fein­ staubpartikel gegebenenfalls nachverbrannt werden können.

Bezugszeichenliste

 1 Hochtemperatur Zyklon
 2, 3, 4 Brenner
 5 Rohgaseintritt
 6 Reingasaustritt
 7 Staubaustrag
 8 Einlaufkanal
 9 Tauchrohr

Claims (8)

1. Verfahren zur Abscheidung von Feststoffpartikeln aus heißen Verbrennungsabgasen, vorzugsweise aus Wirbelschichtöfen, dadurch gekennzeichnet, daß das mit mehr als 750°C die Verbrennungsanlage verlas­ sende Verbrennungsabgas in einen Hochtemperatur- Zyklon geleitet wird und dort unter Zufuhr von Verbrennungsluft und gegebenenfalls Zusatzbrenn­ stoff nachverbrannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachverbrennung bei Temperaturen von 700-1200°C erfolgt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperatur-Zyklon (1) gleichzeitig als Nachbrennkammer mit ein oder mehreren Brennern (2, 3, 4) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß ein oder mehrere in Abgasströmungsrichtung brennende Brenner (2) im Einlaufkanal (8) des Zyklons angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Umfang des Abscheideraumes des Zyklons ein oder mehrere Brenner (3) angeordnet sind, die sekantial in Abgasströmungsrichtung brennen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Austragskegel des Zyklons ein nach oben in Richtung des Tauchrohres (9) brennender Brenner (4) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tauchrohr (9) wassergekühlt ist oder aus einem Hochtemperaturwerkstoff besteht.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwände des Zyklons ein oder mehrschichtig mit keramischem Material ausgemauert oder mit Stampf­ masse ausgekleidet sind.