DE4445644C2 - Schüttbettabscheider - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schüttbettabscheider zum Reinigen von Verbrennungsabgasen unter hohem Druck und hoher Temperatur, mit einer Arbeitskammer, die einen Gaseinlaß und einen Gasauslaß aufweist sowie eine Schüttung aus keramischen Füllkörpern enthält, welche oberhalb des Gaseinlasses an ein Reservoir für Füllkörper angeschlossen ist, wobei unterhalb der Arbeitskammer eine mit einer Entnahmeschleuse versehene Entnahmekammer vorgesehen ist, die über einen Durchlaß mit der Arbeitskammer in Verbindung steht.

Druckaufgeladene Kohlenstaubfeuerungen erzeugen Verbren­ nungsabgase bei Temperaturen von 1200 bis 1800°C und Drücken von bis zu 35 bar. Vor Einleitung dieser Verbrennungsabgase in eine Gasturbine ist es erforderlich, die Verbrennungsabgase von Flüssigschlacke zu befreien. Letztere würde sonst auf den Tur­ binenschaufeln verfestigen und eine Unwucht erzeugen, die zur Zerstörung der Turbine führen müßte.

Der für die Reinigung zuständige Schüttbettabscheider arbeitet mit einer Schüttung aus keramischen Füllkörpern, die eine porendichte Oberfläche besitzen können. Durch Wahl und Verteilung der keramischen Materialien können in der Schüttung, falls erforderlich, durchgehende, schlackeunbenetzbare Zonen erzeugt werden, die bei Betriebsstörungen nicht verkleben und dementsprechend eine Betriebswiederaufnahme des Flüssig­ schlackeabscheiders ermöglichen. Dennoch kommt es bei Betriebs­ störungen zu Unregelmäßigkeiten. Diese können dazu führen, daß die Verbrennungsabgase nicht ausreichend gereinigt sind und da­ her die Betriebssicherheit der Gasturbine beeinträchtigen.

Aus der US-PS 51 65 236 ist es bekannt, die Verbrennungsabgase einer druckaufgeladenen Feuerung vor Eintritt in eine Gasturbine zu reinigen, wobei zur Reinigung zwei Zyklone mit einem zwischengeschalteten Filter vorgesehen sind. Der stromauf gelegene Zyklon bedingt dabei eine vergleichsweise niedrige Abgastemperatur. Zwischen dem stromauf gelegenen Zyklon und dem Filter befindet sich ein Kühler. Dementsprechend erfolgt nach dem stromab gelegenen Zyklon eine erneute Aufheizung in einer Brennkammer, bevor das Gas in die Turbine eintritt. Ein Schüttbettabscheider zur Flüssigschlackeabscheidung ist nicht erforderlich und auch nicht vorgesehen.

Die DE 23 53 260 A1 beschreibt eine Müllverbrennungsanlage, die mit leichtem Überdruck arbeitet und deren Abgase durch ein Wanderbettfilter geleitet werden, das mit Sand beaufschlagt wird. Der Sand wird dem Filter über einen Sandabzug entnommen, in einem Fließbett regeneriert und sodann in das Reservoir rezirkuliert. Es handelt sich nicht um eine Anlage, die unter hohem Druck arbeitet und bei der die Flüssigschlackeabscheidung eine Rolle spielt.

Letzteres gilt auch für die aus der DE 42 25 572 bekannte Abgasreinigungsanlage, bei der die gekühlten Verbrennungsabgase durch eine Entschwefelungseinrichtung, einen Adsorber und einen Denox-Katalysator geführt werden, um anschließend von einem Gebläse in einen Kamin eingeleitet zu werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Vorrichtung derart weiterzuentwickeln, daß die Reinigung der Verbrennungsabgase mit hoher Betriebssicherheit durchgeführt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Schüttbettabscheider nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaß einen beheizbaren Sitz bildet, daß der Arbeitskammer über eine Aufgabeeinrichtung Verschlußkörper zuführbar sind, deren Schmelzpunkt über der Arbeitstemperatur der Arbeitskammer und unter dem Schmelzpunkt der Füllkörper liegt, und daß die Verschlußkörper den Durchlaß gegenüber den Füllkörpern versperren.

Dieser Schüttbettabscheider ist in der Lage, den Austausch der Füllkörper unter Betriebsbedingungen, d. h., unter hohem Druck und bei hoher Temperatur, mit hoher Betriebssicherheit durchzuführen.

Sobald die verbrauchte Schüttung in die Entnahmekammer überführt werden soll, wird der Sitz im Durchlaß beheizt. Sodann schmilzt der dort befindliche Verschlußkörper und gibt den Durchlaß frei. Soll anschließend der Durchlaß wieder verschlossen werden, so wird die Aufgabeeinrichtung aktiviert, um dem Sitz einen neuen Verschlußkörper zuzuführen und den Durchlaß wieder zu sperren. Frisches Schüttgut fließt aus dem Reservoir nach und füllt die Arbeitskammer.

Die schmelzbaren Verschlußkörper bestehen ebenfalls aus keramischem Material mit entsprechend eingestelltem Schmelzpunkt.

Das keramische Material für die Füllkörper der Schüttung kann so ausgewählt werden, daß eine hohe Benetzungsfähigkeit erzielt wird, d. h., daß die Flüssigschlacke stark anhaftet. Dies ist unter dem Gesichtspunkt des Sicherheitseffektes durchaus wünschenswert, vermindert jedoch die Standzeit.

Letzteres kann in Kauf genommen werden, da die keramische Schüttung unter Betriebsbedingungen austauschbar ist. Dies ge­ stattet eine Regeneration zwischen den Revisionspausen, ohne daß der Betrieb der Anlage unterbrochen werden müßte.

Die Gasturbinenhersteller verlangen neben einer Abscheidung der Flüssigschlacke auch eine Reinigung von dampfförmigen und dementsprechend auskondensierbaren Alkali- und Schwermetallver­ bindungen. Deren Kondensate können nämlich zu Erosions- und Korrosionserscheinungen auf den Turbinenschaufeln führen.

Bei dem Schüttbettabscheider besteht die vorteilhafte Möglichkeit, die keramischen Füllkörper der Schüttung mit adsorptiven Eigenschaften für dampfförmige Alkali- und Schwermetallverbindungen auszurüsten. Der Schüttbettabscheider kann also zusätzlich die Funktion eines Alkali- und Schwermetallabscheiders übernehmen oder die Funktion eines derartigen vorgeschalteten Abscheiders zumindest unterstützen. Bei der Alkali- und Schwermetalladsorption werden poröse Kera­ mikkörper verwendet, die sich im Laufe der Zeit verbrauchen und dementsprechend ausgetauscht werden müssen. Ohne weiteres kann das keramische Material derartiger Adsorptionskörper so gewählt werden, daß gleichzeitig eine hohe Haftwirkung auf Flüssig­ schlacke ausgeübt wird. Die dadurch bedingte rasche Zerstörung der Füllkörper kann im Hinblick auf deren problemlose Aus­ tauschbarkeit in Kauf genommen werden.

Grundsätzlich kommen für die Füllkörper der Schüttung so­ wohl oxidkeramische als auch nicht-oxidkeramische Materialien in reiner Form oder aber auch in unterschiedlichen Mischungs­ verhältnissen in Frage. Zu nennen sind Al₂O₃, MgO oder SiO₂. Durch einen Zusatz von TiO₂ oder ZrO₂ läßt sich das Ausmaß der Schlackebenetzbarkeit steuern. Im übrigen spielt die Art der Herstellung eine wesentliche Rolle, wenn es darum geht, die Po­ rosität der Füllkörper bzw. den porendichten Verschluß von de­ ren Oberflächen zu beeinflussen.

Im übrigen sind sämtliche Füllkörperformen einsetzbar, wie etwa Kugeln, Prallringe, Raschigringe, Sattelkörper, Zylinder, Waben, Platten sowie auch beliebige andere regelmäßige oder un­ regelmäßige Körper. Dabei können Körper unterschiedlicher Größe und unterschiedlicher Form miteinander gemischt sein. Die Durchströmrichtung ist in jedem Fall beliebig.

Ferner besteht die Möglichkeit, beim Auswechseln der Schüt­ tung auf Füllkörper aus anderen Materialien oder mit anderen Formen überzugehen.

Der Sitz kann in beliebiger Weise beheizt werden. Zum Bei­ spiel können spezielle Brenner in den Bereich des Sitzes ge­ richtet werden. Diese lassen sich bei Bedarf zünden und erzeu­ gen sodann die erforderlichen Temperaturen. Günstiger ist es unter Umständen, den Sitz mit einer elektrischen Heizung zu versehen, die in den Sitz integriert sein kann. Sie läßt sich problemlos von außen schalten und bedarf keiner Zündung.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Aufgabeeinrichtung einen seitlichen, oberhalb des Sitzes münden­ den Zuführkanal aufweist, der einen Stößel enthält und am Aus­ trittsende eine Stufe bildet. Sobald erforderlich, stößt der Stößel den am Austrittsende des Zuführkanals befindlichen Ver­ schlußkörper in den Sitz hinein. Der Stößel kann dabei direkt auf den auszustoßenden Verschlußkörper einwirken. Vorteilhafter ist es hingegen, dem Zuführkanal eine gewisse Länge zu geben, so daß mehrere Verschlußkörper aufgenommen werden können. Der Stößel arbeitet dann in einem Bereich, in dem bereits niedri­ gere Temperaturen herrschen.

Unter Umständen erfolgt die Sperrung des Durchlasses durch den jeweiligen Verschlußkörper im Zusammenwirken mit einem oder mehreren der Füllkörper der Schüttung. Dies behindert den nächstfolgenden Schmelzvorgang und damit die Freigabe des Durchlasses in keiner Weise. Auch bedarf es keines abgedichte­ ten Verschlusses des Durchlasses. Vielmehr ist eine ständige Durchlässigkeit dann sogar erforderlich, wenn die Möglichkeit bestehen soll, daß Flüssigasche in die Entnahmekammer abtropft. Letztere ist jedenfalls für die Aufnahme von Flüssigasche ein­ gerichtet. Die Entnahmeschleuse eignet gleichermaßen dazu, Flüssigasche und verbrauchte Schüttung aus dem Hochdruckbereich herauszutransportieren.

Das Reservoir für frische Füllkörper kann sich im Hoch­ druckbereich befinden oder über eine entsprechende Schleuse an diesen angeschlossen sein. Grundsätzlich können die frischen Füllkörper frei nachrutschen. Vorteilhafter ist es unter Um­ ständen, einen Verschluß zwischen der Arbeitskammer und dem Re­ servoir vorzusehen. Hierzu wird vorgeschlagen, daß die Arbeits­ kammer über einen Verbindungskanal an das Reservoir für Füll­ körper angeschlossen ist und daß ein Schieber aus keramischem Material in den Verbindungskanal hinein- und aus diesem heraus­ bewegbar ist. Der Schieber sorgt für eine gewisse thermische Abschirmung und verhindert außerdem weitgehend einen Kontakt zwischen den Verbrennungsabgasen und den außerhalb der Arbeits­ kammer befindlichen Füllkörpern.

Dabei besteht ein besonders vorteilhaftes Merkmal darin, daß der Schieber im wesentlichen in horizontaler Richtung be­ wegbar ist und daß der Durchlaß eine Öffnung definiert, die in einer im wesentlichen vertikalen oder geneigten Ebene liegt und vom Schieber auf eine Größe reduzierbar ist, die kleiner als die Größe der Füllkörper ist. Der Durchlaß erfährt also an der Stelle der Öffnung eine Umlenkung nach unten. Wird der Schieber gegen die Öffnung bewegt, so können die soeben hindurchgetretenen Füllkörper noch nach unten fallen, während der Schieber die nächstfolgenden Füllkörper blockiert und in der Öffnung festhält. Ein Zurückstoßen der Füllkörper ist nicht erforderlich. Dementsprechend kann der Schließvorgang sanft und ohne großen Kraftaufwand durchgeführt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Aus­ führungsbeispielen im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeich­ nung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 ein Fließschema der Vorrichtung;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines Sicherheits- Schüttbettabscheiders;

Fig. 3 einen Teilschnitt durch eine gegenüber Fig. 2 abgewandelte Ausführungsform.

Nach Fig. 1 ist eine druckaufgeladene Kohlenstaubfeuerung 1 vorgesehen, deren Verbrennungsabgase unter hohem Druck und ho­ her Temperatur einem Flüssigschlackeabscheider 2 zugeführt wer­ den. Diesem ist ein Sicherheits-Schüttbettabscheider 3 nachge­ schaltet. Von letzterem aus gelangen die gereinigten Verbren­ nungsabgase zu einer Gasturbine 4.

Der Sicherheits-Schüttbettabscheider 3 enthält eine Schüt­ tung aus keramischen Füllkörpern, die bei Bedarf unter Be­ triebsbedingungen austauschbar ist. Ungleichmäßige Fahrweise oder Störungen im Flüssigschlacke- und Alkali-Abscheidesystem können dazu führen, daß der Sicherheits-Schüttbettabscheider 3 belastet wird. Seine Füllkörper werden mit Flüssigschlacke be­ aufschlagt, die sich unter Umständen aufgrund zu geringer Tem­ peratur verfestigt. Auch die Keramik der Füllkörper kann so ge­ artet sein, daß Flüssigschlacke gebunden wird. Schließlich kön­ nen die Füllkörper Alkali- und Schwermetallverbindungen adsor­ bieren. In allen Fällen kommt es zu einem Verbrauch des Schütt­ bettes. Sobald der normale Betriebsablauf hergestellt oder wie­ derhergestellt ist, besteht die Möglichkeit, das verbrauchte Schüttbett aus dem Abscheider 3 zu entnehmen und durch ein fri­ sches Schüttbett zu ersetzen.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine absolute Abschirmung der Gasturbine 4 gewährleistet ist, ohne daß der Betrieb zwischen den Revisionen unterbrochen wer­ den muß.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform des Sicherheits- Schüttbettabscheiders 3. Dieser weist eine Arbeitskammer 5 mit einem Gaseinlaß 6 und einem Gasauslaß 7 auf. Die Arbeitskammer 5 ist mit einem Schüttbett aus keramischen Füllkörpern 8 ge­ füllt.

Unterhalb der Arbeitskammer 5 befindet sich eine Entnahme­ kammer 9, die über eine Entnahmeschleuse 10 entleerbar ist. Die Verbindung zwischen der Entnahmekammer 9 und der Arbeitskammer 5 wird von einem Durchlaß 11 hergestellt. Der Durchlaß defi­ niert eine Öffnung, die im vorliegenden Fall in einer vertika­ len Ebene liegt und in die die Stirnseite eines keramischen Schiebers 12 hineinragt.

Sobald der Schieber 12 geöffnet wird, können die Füllkörper 8 durch den Durchlaß 11 hindurchtreten und in die Entnahmekam­ mer 9 gelangen. Ein Schließen des Schiebers 12 bereitet deshalb keine Schwierigkeiten, weil lediglich die nachströmenden Füll­ körper 8 zurückgehalten, nicht jedoch zurückgedrängt werden müssen. Im übrigen ist kein vollständiger Abschluß des Durch­ lasses 11 erforderlich, weil Flüssigasche in den Entnahmebehäl­ ter 9 abströmen soll.

Oberhalb der Arbeitskammer 5 befindet sich ein Reservoir 13 für frische Füllkörper. Das Reservoir 13 ist hier nur schema­ tisch angedeutet. Die Verbindung zwischen dem Reservoir 13 und der Arbeitskammer 5 wird von einem Verbindungskanal 14 herge­ stellt, in welchem ein Schieber 15 arbeitet. Wie ersichtlich, liegt eine direkte Entsprechung zum Durchlaß 11 und Schieber 12 im unteren Bereich der Arbeitskammer 5 vor.

Bei der abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 3 bildet der Durchlaß 11 einen Sitz 16, in den eine elektrische Heizung 17 integriert ist. Der Sitz 16 wird von einem Verschlußkörper 18 versperrt. Dabei ist in nicht dargestellter Weise dafür ge­ sorgt, daß Flüssigasche aus der Arbeitskammer 5 in die Entnah­ mekammer 9 fließen kann.

Der Verschlußkörper 18 hat einen Schmelzpunkt, der über der Arbeitstemperatur der Arbeitskammer 5 und unterhalb des Schmelzpunktes der hier nicht dargestellten Füllkörper liegt. Sobald die Schüttung aus der Arbeitskammer 5 in die Entnahme­ kammer 9 überführt werden soll, wird die elektrische Heizung 17 in Betrieb gesetzt, woraufhin der Verschlußkörper 18 schmilzt. Der Durchlaß 11 wird also für die Füllkörper freigegeben. So­ bald der Durchlaß 11 wieder verschlossen werden soll, wird eine Aufgabeeinrichtung 19 aktiviert. Diese weist einen seitlich oberhalb des Sitzes 16 mündenden Zuführkanal 20 auf, der eine Reihe von Verschlußkörpern enthält und am auslaufseitigem Ende eine Stufe 21 bildet. Ein Stößel 22 drückt den untersten Ver­ schlußkörper über die Stufe 21 hinweg in den Bereich des Sitzes 16 hinein. Dort erfolgt dann, unter Umständen im Zusammenwirken mit einem oder mehreren der Füllkörper, die Versperrung des Durchlasses 11.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmöglich­ keiten gegeben. So kann die Arbeitskammer 5 beliebig geformt sein, wobei auch die Durchströmungsrichtung der Verbrennungsab­ gase keiner Beschränkung unterliegt. Die keramischen Schieber 12 und 15 werden nach Fig. 2 von hydraulischen oder pneumati­ schen Kolbenarbeitsmaschinen betätigt. Abweichend davon sind beliebige Antriebe denkbar. Immer jedoch wird die Anordnung so gewählt, daß die Antriebe außerhalb der Hochtemperaturzone und gegebenenfalls auch außerhalb des Hochdruckbereichs liegen. An­ stelle der elektrischen Heizung 17 in Fig. 3 kann der Sitz 16 für die Verschlußkörper auch durch zusätzliche Brenner beheizt werden. Abweichend von Fig. 2 besteht die Möglichkeit, das Re­ servoir 13 außerhalb des Hochdruckbereichs vorzusehen, wobei dann allerdings eine entsprechende Schleuse vorhanden sein muß.

Der Abscheider mit austauschbarem Schüttbett wurde in sei­ ner bevorzugten Anwendung als Sicherheits-Schüttbettabscheider beschrieben. Seine Konstruktion eignet sich gleichermaßen für Alkali- und Schwermetallabscheider, da sich auch hier die Füll­ körper durch Adsorption verbrauchen. Schließlich ist auch ein Einsatz als Flüssigascheabscheider denkbar, insbesondere wenn mit hoher Schlackebenetzbarkeit gearbeitet werden soll oder wenn die Revisionsperioden außergewöhnlich lang sind.

Schließlich eignet sich der Abscheider auch für solche An­ wendungsfälle, in denen die Verbrennungsabgase mit geringeren Temperaturen und Drücken anfallen, beispielsweise für Wirbel­ schichtfeuerungen, Müllverbrennungsanlagen und dergleichen.

Claims (5)

1. Schüttbettabscheider zum Reinigen von Verbrennungsab­ gasen unter hohem Druck und hoher Temperatur, mit einer Ar­ beitskammer (5), die einen Gaseinlaß (6) und einen Gasauslaß (7) aufweist sowie eine Schüttung aus keramischen Füllkör­ pern (8) enthält, welche oberhalb des Gaseinlasses (6) an ein Reservoir (13) für Füllkörper (8) angeschlossen ist, wo­ bei unterhalb der Arbeitskammer (5) eine mit einer Entnahme­ schleuse (10) versehene Entnahmekammer (9) vorgesehen ist, die über einen Durchlaß (11) mit der Arbeitskammer (5) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaß (11) einen beheizbaren Sitz (16) bildet, daß der Arbeitskam­ mer (5) über eine Aufgabeeinrichtung (19) Verschlußkörper (18) zuführbar sind, deren Schmelzpunkt über der Arbeitstem­ peratur der Arbeitskammer (5) und unter dem Schmelzpunkt der Füllkörper (8) liegt, und daß die Verschlußkörper (18) den Durchlaß (11) gegenüber den Füllkörpern (8) versperren.

2. Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitz (16) eine elektrische Heizung (17) aufweist.

3. Abscheider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Aufgabeeinrichtung (19) einen seitlichen, oberhalb des Sitzes (16) mündenden Zuführkanal (20) auf­ weist, der einen Stößel (22) enthält und am Austrittsende eine Stufe (21) bildet.

4. Abscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskammer (5) über einen Verbin­ dungskanal (14) an das Reservoir (13) für Füllkörper (8) an­ geschlossen ist und daß ein Schieber (15) aus keramischem Material in den Verbindungskanal (14) hinein- und aus diesem herausbewegbar ist.

5. Abscheider nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (15) im wesentlichen in horizontaler Rich­ tung bewegbar ist und daß der Verbindungskanal (14) eine Öffnung definiert, die in einer im wesentlichen vertikalen oder geneigten Ebene liegt und vom Schieber (15) auf eine Größe reduzierbar ist, die kleiner als die Größe der Füll­ körper (8) ist.