DE4411177C2 - Vorrichtung zur Erhöhung der Effizienz eines Abwärmekessels - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Konstruktion eines Abwärmekessels, der einem Suspensionsschmelzofen, insbesondere einem Flammschmelzofen, nachgeordnet ist. In dieser Konstruktion wird ein direkter Fluss der im Suspensionsschmelzofen erzeugten staubführenden Gase vom Strahlungsbereich des Abwärmekessels in den Konvektionsbereich verhindert, um die Tendenz zu Staubablagerungen zu verhindern, die von den Gasen verursacht werden und um sowohl das gesamte Volumen des Abwärmeboilers in vorteilhafter Weise zu nutzen als auch die Verweilzeit der Gase im Kessel zu verlängern.

Im allgemeinen wird für den einem Suspensionsschmelzofen nachgeordneten Kessel ein Tunneltyp-Kessel verwendet, welcher in direktem Gasfluss betrieben wird. Dieser Boiler bzw. Kessel ist in zwei Abschnitte unterteilt, dem Strahlungsabschnitt und dem Konvektionsabschnitt. Zweck des Strahlungsabschnitts ist die Abkühlung der Gase, so dass die in dem Gas enthaltenen geschmolzenen Partikel fest werden und ihre Temperatur unter die Sintertemperatur der Partikel abfällt, bevor die Gase dem Konvektionsabschnitt des Abwärmekessels zugeleitet werden. Im Konvektionsabschnitt wird die in den staubführenden Gasen noch enthaltende Hitze mittels einer Kühlröhrenbank, d. h. eines Wärmetauschers, wiedergewonnen.

Jedoch führt der beim Suspensionsschmelzen erzeugte hohe Staubanteil der Gase in Abwärmekesselkonstruktionen des Tunneltyps oft zu Staubablagerungen, welche den Betrieb sowohl des Abwärmekessels als auch des gesamten Suspensionsschmelzprozesses behindern. Die aufgrund dieser Schwierigkeiten verursachten möglichen Unterbrechungen des Suspensionsschmelzprozesses führen zu beträchtlichen Ausfällen für die Hersteller. Die Tendenz zur Bildung von Staub- bzw. Dunstablagerungen wird z. B. durch folgende Faktoren begünstigt:
Im Strahlungsbereich des Abwärmekessels werden nur die Decke und die oberen Teile der Wände effizient genutzt und auch nur dann, wenn diese sauber sind. Weil ein großer Anteil der Hitze auf einen kleinen Abschnitt des Kessels gerichtet ist, ist es schwierig, den Abwärmekessel sauber zu halten. Weiterhin fließen die heißen staubführenden Gase teilweise ungekühlt direkt zum Konvektionsbereich des Kessels, in welchem Fall geschmolzene Staubpartikel an dem Wärmetauscher anhaften und die gekühlten Partikel angesintert werden. Darüber hinaus fungiert der Bodenteil des Abwärmekessels nur sehr schlecht als Strahlungsaufnehmer, erlaubt jedoch einem Teil der staubführenden Gase eine lange Verweilzeit und schafft damit die Bedingungen für eine nachteilige Reaktion, bei der Schwefeldioxid in Schwefeltrioxid aufoxidiert wird. In dem Gaswaschabschnitt einer Schwefeldioxidanlage bildet Schwefeltrioxid Schwefelsäure, sogen. Waschsäure, welche fast als Gefahrenmüll bezeichnet werden kann.

Die Entfernung von Staubablagerungen aus einem Abwärmekessel ist auf viele und verschiedene Arten versucht worden. Die Reinigung des Kessels wurde intensiviert mittels Klopf- oder Rüttelvorrichtungen - mit positiven Ergebnissen, jedoch nur bei der Entfernung des Staubs, nicht bei der Eliminierung der Ursache des Problems. Die Nachteile eines zu intensiven Abklopfens oder Rüttelns werden bald ersichtlich: Die Lebensdauer des Abwärmekessels wird verkürzt. Im Strahlungsbereich des Abwärmekessels sind weiterhin Kühlbleche parallel zu dem Boiler angeordnet worden, so dass das Gas frei zwischen diese Bleche fließen kann. Diese Bleche sind für ihre gute Funktionsweise bekannt, wenn sie richtig geformt sind. Darüber hinaus sind transversale Kühlbleche, d. h. transversal zur Richtung des Gasflusses, in dem Strahlungsabschnitt des Kessels getestet worden. Jedoch waren die Versuche enttäuschend wegen einer aktiven Tendenz zur Bildung von Schlackekrusten. Es wurden ebenfalls Versuche unternommen, den direkten Gasfluss entlang der Decke des Strahlungsbereichs des Abwärmekessels zu verhindern, indem der Konvektionsabschnitt unterhalb des Strahlungsabschnitts angeordnet wurde, so dass der rückwärtige Teil der Decke des Strahlungsabschnitts nach unten geneigt war.

Aus der DE 472 731 ist ein Abhitzekessel mit vorgeschalteter Staubkammer vorbekannt. Die heißen Abgase gehen von oben kommend durch die Staubkammer und von dort durch eine Öffnung in eine Brennkammer, in der falls nötig eine Zusatzbeheizung mit Kohlenstaub stattfinden kann, und von der Brennkammer in einen beliebig ausgebildeten Abhitzekessel. Vor dem Abhitzekessel ist ein Überhitzer angeordnet, der die Abgase vor dem Eintritt in den Abhitzekessel noch einmal aufheizt. Staub- und Brennkammer verfügen jedoch über keine Einrichtungen zur Wärmeabfuhr, da es dass Ziel der DE 472 731 ist, die Abgase so heiß wie möglich zu dem Abhitzekessel zu führen.

Aus dem U.S. Patent 4,530,311 ist ein Abwärmekessel bekannt, bei dem die Konstruktion des Strahlungsabschnitts geändert worden ist, um die Nachteile der oben beschriebenen Konstruktionen zu beseitigen. Relativ zum vorderen Ende des Strahlungsabschnittes ist der Konvektionsabschnitt des Abwärmekessels in einer wesentlich geringeren Höhe angeordnet, um den Gasfluss der staubführenden Gase direkt entlang der Decke des Strahlungsbereichs zu verhindern. Die Decke des Strahlungsbereichs ist derart konstruiert, dass der Strahlungsbereich schrittweise auf die Höhe des vorderen Endes des Konvektionsbereichs abgesenkt wird und dass bekannte Abstoß-, Abkratz- oder Rüttelvorrichtungen gleichzeitig an der Wand angeordnet werden. So ist es möglich, den Boden des Strahlungsbereichs zu verwenden, der in bekannten Ausführungen ungenutzt verblieb. Darüber hinaus werden an der Decke des Strahlungsbereichs Bleche parallel zur Richtung des Gasflusses angeordnet, so dass in den Abschnitten, die durch die transversalen Wände des Strahlungsbereichs geformt werden, die Wand des nachfolgenden Abschnitts immer die Gasflüsse des vorherigen Abschnitts mehr oder weniger in zwei Teile unterteilt.

Es ist Ziel der Abwärmekesselkonstruktion der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der oben beschriebenen Konstruktionen des Standes der Technik zu beseitigen und einen verbesserten und betriebssicheren Abwärmekessel zu schaffen, der geeignet ist für die Abkühlung staubführender Gase aus einem Suspensionsschmelzprozess als auch zum Sammeln von Staub, welches Ziel insbesondere geeignet ist für die Verbesserung der Kapazität auch alter Kessel. Die wesentlichen neuen Merkmale der Erfindung sind aus den beigefügten Patentansprüchen ersichtlich.

Erfindungsgemäß wird die Decke an der vorderen Stirnseite des Strahlungsbereichs eines Abwärmekessels des Standardtunneltyps um 5% bis 20%, vorzugsweise 15%, angehoben, so dass in der vorderen Stirnseite ein hüllenartiger Raum gebildet wird, in den das aus dem Schmelzofen abgeführte heiße Gas in der Art eines Rückflusses hochsteigt, ohne direkt in einem scharfen und heißen Strahl an die Decke des Wärmetauschers zu stoßen. Die Decke wird nur an dem vorderen Ende des Strahlungsbereichs, d. h. meistens auf dem halben Weg in Gasflussrichtung angehoben.

Unmittelbar nach der Rückwand des angehobenen Teils enthält die Erfindung eine abfallende Decke transversal zur Flussrichtung, welcher Abfall nach unten von der normal hohen Decke des Strahlungsbereichs fortläuft und einen Strömungskanal im Strahlungsbereich des Kessels bildet. Dieser Strömungskanal wiederum wird durch zwei Wände begrenzt, die aus röhrenartigen Tafeln gebildet sind und einen Boden. Dieser Strömungskanal beinhaltet die Isolation und Schlag- bzw. Rütteleinrichtungen und hat genug Raum für die Wartung der Anlage. Der transversal nach unten weisende Strömungskanal muss an den Seiten und der Oberseite des Strahlungsbereichs offen sein. Der Zweck der abfallenden Kante besteht darin, den heißen Hauptgasstrom aus dem Ofen nach unten zu richten und ihn danach zu veranlassen, sich wieder nach oben unter den Strömungskanal zu drehen und einen nach oben gerichteten Strom in Richtung auf den Konvektionsbereich zu bilden.

Durch die vorliegende Erfindung wird mehr Kühlfläche in dem Strahlungsbereich erhalten, und zwar sowohl in dem angehobenen Teil als auch in dem querliegenden Strömungskanal. Der Füllgrad des Strahlungsbereichs wird angehoben und konsequenterweise die Verweilzeit der Gase vergrößert und zwar absolut als auch relativ. Erfindungsgemäß wird der einströmende heiße Gasstrom dazu veranlasst, sich von der Decke des Strahlungsbereichs hinwegzudrehen und der Staub wird dazu veranlasst, sich hauptsächlich an der vorderen Stirnseite des Strahlungsbereichs anzusammeln.

Wenn das Gas aus einem Schmelzofen abgeführt wird, liegt seine Temperatur im Bereich von 1300°C. Während das Gas auf eine Temperatur von 800°C bis 600°C abkühlt, werden die Staubpartikel sulfatisiert und die metallenthaltenden Partikel in dem Gas werden oxidiert, z. B. aufgrund überschüssiger Luft, die aus dem Bodenende des Strahlungsbereichs abgeführt wird und fallen in trichterförmige Rinnen am Boden des Strahlungsbereichs. Von dem Blickpunkt der Gasaufbereitung ist die Sulfatisierung der Staubpartikel ein vorteilhaftes Phänomen, jedoch wenn man zulässt, dass die Gastemperatur in den Bereich von 600°C bis 500°C abfällt, ist die sich ergebende Gasreaktion die Oxidierung des Schwefeldioxids in Schwefeltrioxid, was, wie bereits ausgeführt, ein schädliches Phänomen darstellt.

In einem Strahlungsbereich mit einer bekannten Standardkonstruktion wird in dem Gasfluss unterhalb des Hauptflusses, der die Decke entlang streicht, ein großer ineffektiver Rückfluss erzeugt, in dem das Gas in Turbulenz verbleibt und auf unerwünschte Temperaturen abkühlt. Aufgrund der Struktur der Erfindung werden sowohl der zu schnelle Abfluss als auch der große Rückfluss in mehrere kleine und effiziente gasmischende Turbulenzen aufgeteilt, aus denen das Gas jedoch abgeführt wird, bevor dessen Temperatur in den Bereich abfällt, in dem unerwünschte Reaktionen stattfinden. Somit wird zwar die gesamte Verweilzeit des Gases erhöht, aber es ist nicht genug Zeit vorhanden, damit die Temperatur in einen unerwünschten Bereich abfällt.

Ein kontrollierter oberer Wirbel in dem angehobenen Teil des Strahlungsbereichs ermöglicht die Optimierung der alles überströmenden zirkulierenden Gasströme und ihre Hinzumischung zu dem einströmenden Gasfluss.

Die Gase des oberen Wirbels werden effizienter gekühlt als wenn die heiße Gasflamme die Decke eines herkömmlichen Kessels entlang streicht. Hierdurch ist es möglich, die optimale Temperatur der Staubsulfatisierung, d. h. 700°C +/- 100°C zu erreichen, auf die das sauerstoffenthaltende Zirkulationsgas gebracht wird. Somit wird das Eindringen sulfidischen Staubes in den Konvektionsbereich verhindert.

Um die Kühlfläche zu erhöhen verwendet die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise lange Kühlrohrbleche, die parallel zu dem Stromfluss ausgerichtet sind. Die Tafeln oder Bleche können entweder in dem erhöhten Teil und darunter liegen oder nach der transversalen abfallenden Kante angeordnet sein. All dies wird ermöglicht durch die Tatsache, dass das Klopfen oder Rütteln sowohl von der Decke aus als auch innerhalb des Strömungskanals durchgeführt werden kann, der durch die transversale abfallende Fläche gebildet wird.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung detaillierter erklärt. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines bekannten Abwärmekessels nach dem Stand der Technik mit Fließmustern im vertikalen Querschnitt und

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Abwärmekessels im vertikalen Querschnitt.

Fig. 1 zeigt den Hauptgasstrom 5 und seine Rückströmungen 6 und 7, die aus dem Schmelzofen 1 in den Strahlungsbereich 3 und anschließend in den Konvektionsbereich 4 des Abwärmekessels 2 geleitet werden. Der Rückfluss bzw. Rückstrom 6 ist groß und langsam. Seine Austauschrate und damit verbundene Mischeffizienz ist gering. Der Kollisionspunkt des heißen Gasflusses mit der Decke 8 des Strahlungsbereichs ist ebenfalls in der Zeichnung markiert.

Fig. 2 zeigt den Hauptgasstrom 11 und seine Turbulenzen oder Rückströmungen 12, 13, 14 und 15, die von dem Schmelzofen 1 zum Strahlungsbereich 9 und anschließend zum Konvektionsbereich 10 fließen. Fig. 2 zeigt ebenfalls eine Ansicht 16 des vorderen Endes des Strahlungsbereichs der Erfindung und eine transversale strömungsumkehrende Kanalstruktur, die aus zwei im wesentlichen vertikalen Doppelpaneelwänden 17 und 18 und einer dazwischen angeordneten Bodenplatte 19 bestehen, zusammen mit dem Zwischenraum, der für eine Abkratz-, Abstoß- oder Rütteleinrichtung, Wärmeisolierung vorgesehen ist und ebenfalls für die Tätigkeiten des Wartungspersonals vorgesehen ist. Die Paneelwände und der dazwischen angeordnete Boden erstrecken sich transversal über den gesamten Strahlungsbereich des Kessels. In dem erhobenen Teil 16 ist ebenfalls eine häufig verwendete Zirkulationsgasdüse 20 angeordnet. Die länglichen Wärmewiedergewinnungswände bestehen aus zwei oder mehreren parallelen Platten mit Heizröhren in Fließrichtung, und sind sowohl im vorderen als auch im rückwärtigen Teil vorgesehen.

Die Wärmewiedergewinnung findet schließlich im Konvektionsbereich des Abwärmekessels statt, in den die Gase eintreten, nachdem sie von dem größeren Teil der Feststoffverunreinigungen gereinigt worden sind. Der Großteil dieser Verunreinigungen fällt in trichterförmige Rinnen 23 am Boden des Strahlungsbereichs und können davon entfernt werden. Das an den Paneelen anhaftende Feststoffmaterial wird auch in diesen Rinnen aus dem Prozess separiert, weil die Paneele mit Stoß-, Kratz- oder Rüttelvorrichtungen versehen sind, die hierfür bereits in großem Umfang benutzt werden. Diese Einrichtungen entfernen die angesammelten Feststoffe bzw. schütteln sie von Zeit zu Zeit herunter. Der Boden des Konvektionsbereichs ist ebenfalls mit trichterförmigen Teilen versehen, um Feststoffe zu sammeln und zu entfernen, die weiterhin von den Gasen separiert werden. In dem Konvektionsbereich wird die Wärme wiedergewonnen in einem Gas/Flüssigkeitskreislauf eines Wärmetauschers (Kühlrohrbank).

Die aus dem Abwärmekessel austretenden Gase sind bereits äußerst rein und können daher für einen finalen Waschschritt in einen Elektrofilter geführt werden, bevor sie z. B. zu einem nächsten Verfahrensschritt Überführt werden.

Claims (6)

1. Abwärmekessel zur Nachordnung zu einem Suspensionsschmelzofen, insbesondere Flammschmelzofen, bestehend aus einem Strahlungsbereich (9) und einem in Richtung des Hauptgasstroms nachgeordneten Konvektionsbereich (10), dadurch gekennzeichnet, dass ein vorderes stromaufwärts gelegenes Teil (16) des Strahlungsbereichs (9) eines Abwärmekessels (2) des Tunneltyps erhöht ist, dass zwischen dem vorderen Teil und einem stromabwärts gelegenen hinteren Teil des Strahlungsbereichs eine transversale strömungsumkehrende Kanalstruktur ausgebildet ist, die aus zwei im wesentlichen vertikalen Paneelwänden (17, 18) und einer diese verbindenden Bodenplatte (19) besteht, welche Kanalstruktur an der Oberseite und zu den Seiten hin offen ist, und dass in beiden Teilen des Strahlungsbereichs Wärmetauscherplatten (21, 22) angeordnet sind.

2. Kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (19) der Kanalstruktur von einer Decke (8) beabstandet ist, wobei der Abstand höchstens der halben Höhe des Strahlungsbereichs (9) entspricht.

3. Kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass des vordere Teil(16) des Strahlungsbereichs des Abwärmekessels um 5 bis 20% der Höhe des Strahlungsbereichs angehoben ist.

4. Kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vordere Teil (16) des Strahlungsbereichs des Abwärmekessels vorzugsweise um 15% der Höhe des Strahlungsbereichs angehoben ist.

5. Kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kanalstruktur Rüttelvorrichtungen und eine Wärmeisolierung angeordnet sind.

6. Kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten (21, 22) des Abwärmekessels parallel zur Strömung ausgerichtet sind.