DE60015908T2

DE60015908T2 - Verfahren zur Verminderung der Stickstoffoxidenemissionen in einer zirkulierenden Wirbelschichtverbrennungsanlage

Info

Publication number: DE60015908T2
Application number: DE60015908T
Authority: DE
Inventors: François Malaubier; Eugène Guilleux
Original assignee: Alstom Power Boiler SA
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: EP1111301A1; CN1145755C; CN1300917A; US6415743B2; US20010004516A1; DE60015908D1; FR2803020A1; FR2803020B1; EP1111301B1; ES2232398T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoff-Verbrennungsanlage mit einem Feuerraum mit zirkulierender Wirbelschicht, wobei mindestens ein Teil des Feststoffflusses, der aus der Verbrennung des Brennstoffes in dem Feuerraum entsteht, über einen Wärmetauscher, der mit Wirbelschicht arbeitet, wieder in den Feuerraum zurückgeführt wird.
In einer Anlage mit zirkulierender Wirbelschicht wird der Brennstoff, bei dem es sich um zerkleinerte Kohle handeln kann, normalerweise in den unteren Teil des Feuerraums eingeblasen, in dem eine reduzierende Atmosphäre herrscht.
In dieser Zone wird der Brennstoff einer Pyrolyse unterzogen, wobei der Brennstoff einerseits in flüchtige Bestandteile, die einen Bruchteil des Stickstoffs des ursprünglichen Brennstoffes (N-flüchtig) enthalten, und andererseits in Feststoffe, die den restlichen Stickstoff des ursprünglichen Brennstoffes (N-Koks) enthalten, getrennt wird. Der Koks kann mehr oder weniger lange im unteren Teil des Feuerraums verweilen, in dem eine reduzierende Atmosphäre herrscht; unter diesen Bedingungen findet sich in den Reaktionsprodukten des N-Koks eher molekularer Stickstoff als der Schadstoff NOx. Die Verweilzeit der Koksperlen in der reduzierenden Zone hängt im wesentlichen von der Größe jeder Koksperle ab. Die feinsten Partikel verlassen diese Zone rasch und durchqueren dann den oberen Teil des Feuerraums, in dem die Reaktionen fortgesetzt werden.
Wie besonders in 1 zu sehen ist, besteht der Fluss der Feststoffe, die aus dem Feuerraum 1 kommen, und von einer geeigneten Vorrichtung wie einem Zyklon 3 erfasst werden, nicht nur aus Mineralasche, sondern auch aus Koks, der aus der unvollständigen Verbrennung des Brennstoffes in dem Feuerraum resultiert. Dieser Koks enthält die ursprünglichen Elemente aus dem Brennstoff, insbesondere Kohlenstoff, Schwefel und Stickstoff.
Diese Feststoffe werden durch eine geeignete Einrichtung wie einen Umwälzkreislauf 4, der mit einem Siphon ausgestattet ist, wieder in Richtung Feuerraum geführt. In 1 geht ein Teil des Feststoffflusses, der in Richtung Feuerraum 1 rezirkuliert, in einen Wärmetauscher 7 über, der mit Wirbelschicht arbeitet. Gemäß 2 besteht ein Wärmetauscher 7, der mit Wirbelschicht arbeitet, aus einem Gehäuse 71, in dessen Innerem Schlangenrohrpakete 72 angeordnet sind, durch die Wasser oder Dampf fließt. Der Feststofffluss tritt über ein Eintrittsrohr 73 ein und durchquert den Wärmetauscher über ein Fluidisierungssystem, um dann über ein Austrittsrohr 74 wieder auszutreten. Die Betthöhe der Feststoffe in dem Wärmetauscher ist mit den Strichen L angegeben. Hier befindet sich der Wärmetauscher außerhalb des Feuerraumes 1 und wird nur von einem Teil des Feststoffflusses durchquert, der zum Feuerraum 1 rezirkuliert. Selbstverständlich gilt das Folgende auch dann, wenn der Wärmetauscher 7 ein Teil des Feuerraumes 1 ist, und den ganzen Feststofffluss aufnimmt.
In 2 ist das Innere des Gehäuses 71 des Wärmetauschers 7 in mehrere Kammern 75A, 75B, 75C, 75D aufgeteilt ist, welche durch Wände 76 voneinander getrennt sind. In den Kammern 75B und 75C befinden sich die Rohrpakete 72B, 72C, durch die Wasser oder Dampf fließt. Am Boden 77 des Wärmetauschers befinden sich Düsen 78, welche das Einführen eines Fluidisierungsgases in die Feststoffe erlauben. Unterhalb des Bodens 77 ist ein Luftkasten 79 angeordnet, der das Fluidisierungsgas enthält. Dieser Luftkasten 79 kann selbst – muss aber nicht – in mindestens so viele Kammern 79A, 79B, 79C, 79D unterteilt sein, wie Kammern in dem Gehäuse vorhanden sind.
Nachdem die Fluidisierungsgase die Feststoffe vom unteren Bereich des Bodens 77 bis oberhalb der Höhe L des Bettes der Feststoffpartikel durchquert haben, treten die Fluidisierungsgase über das Rohr 74 aus und gelangen wieder in den Feuerraum 1. Während sie den Wärmetauscher 7 durchqueren, sinkt die Temperatur der Feststoffe je nach Anzahl und Fläche der Rohre 72 in dem Gehäuse 71 um einen Wert, der dem Wert entspricht, den sie bei Austritt aus dem Zyklon besitzen (ca. 850 – 900 °C), bis auf eine Temperatur in der Größenordnung von 500 bis 700 °C.
Im gegenwärtigen Stand der Technik handelt es sich bei dem in dem Wärmetauscher 7 verwendeten Fluidisierungsgas um Luft aus der Atmosphäre mit einer Temperatur von normalerweise zwischen 20 und 300 °C und einer Druckhöhe, die ausreicht, um den Fluss der Feststoffe beispielsweise von der Eintrittskammer 75A aus bis zu der Austrittskammer 75D zu ermöglichen. In jeder Kammer herrscht eine sehr stark oxidierende Atmosphäre oder eine Atmosphäre mit einem sehr hohen Sauerstoff-Teildruck. Diese Technik hat den Nachteil, dass sich aufgrund der Reaktion zwischen dem weiter oben genannten N-Koks und der Fluidisierungsluft des Wärmetauschers 7 Stickstoffoxide bilden. Die Bildung von Stickstoffoxid ist in den Eintrittskammern 75A, 75B deutlich höher als in den Austrittskammern 75C, 75D und zwar aufgrund des Verbrauchs von N-Koks in den Eintrittskammern und vor allem aufgrund der Tatsache, dass die Temperatur der Feststoffe in den Eintrittskammern sehr viel höher ist als in den Austrittskammern. Bei einem Wärmetauscher mit vier Kammern, wie er in 2 dargestellt ist, liegt die Temperatur der Feststoffe in der Kammer 75A beispielsweise meistens in der Größenordnung von 850 bis 900 °C, in der Kammer 75B in der Größenordnung von 650 bis 800 °C und in der Kammer 75C in der Größenordnung von 500 bis 650 °C. Die Stickstoffoxide, die sich in diesen Kammern durch Reaktion des N-Koks mit der Fluidisierungsluft bilden, werden also in Richtung Feuerraum transportiert, wo sie sich mit den erzeugten Rauchgasen vermischen, und an der Gesamtschadstoffemission beteiligt sind.
In den Dokumenten US-5054435 und US-5341766 wird eine zirkulierende Wirbelschichtverbrennungsanlage beschrieben, in der ein Teil des Partikelflusses, der sich aus der Verbrennung des Brennstoffes in dem Feuerraum ergibt, über einen Wärmetauscher – der mehrere Kammern oder Zonen besitzt, denen ein Fluidisierungsgas zugeführt wird, das einen geringeren Sauerstoffgehalt hat als die Luft – in den Feuerraum zurückgeführt.
Ziel der Erfindung ist es, die Stickstoffoxidemission in einer solchen Anlage zu reduzieren.
Deshalb hat die Erfindung ein Verfahren zur Reduzierung der Stickstoffoxidemissionen in einer Brennstoff-Verbrennungsanlage zum Ziel, die einen Feuerraum mit zirkulierender Wirbelschicht besitzt, in dem mindestens ein Teil des Feststoffflusses, der aus der Verbrennung des Brennstoffes in dem Feuerraum entsteht, über einen Wärmetauscher, der mit Wirbelschicht arbeitet, wieder in den Feuerraum zurückgeführt wird. Dem Wärmetauscher wird ein Fluidisierungsgas zugeführt, das einen geringeren Sauerstoffgehalt besitzt als die Luft, und einigen Kammern des Wärmetauschers wird das sauerstoffarme Fluidisierungsgas allein oder mit Luft gemischt zugeführt, und der anderen Kammer oder den anderen Kammern des Wärmetauschers wird nur Luft zugeführt.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht also darin, den Sauerstoff-Teildruck in den Kammern des Wärmetauschers zu kontrollieren, um die Bildung von Stickstoffoxiden so weit wie möglich zu vermeiden. Der Sauerstoff-Teildruck wird kontrolliert und zwischen 1 und 4 gehalten. Dieses sauerstoffarme Fluidisierungsgas, das meistens unter 12 % Sauerstoff-Mol enthält, besteht vorzugsweise aus Rauchgasen, die bevorzugt hinter einem Rauchgasfilter abgezogen werden. Aus diesen Rauchgasen wird nämlich der Staubgehalt entfernt, durch den die Druckerhöhungsgebläse, mit deren Hilfe das Fluidisierungsgas unter Druck in den Wärmetauscher geführt wird, infolge Abrieb oder Verschmutzung beschädigt werden können.
Durch Regelung des Luftverhältnisses in dem Gemisch, das in die Kammern des Wärmetauschers eingeblasen wird, kann man so eine Verbrennung des Kohlenstoffes im Wärmetauscher in Gegenwart einer Atmosphäre mit niedrigem Sauerstoffgehalt und folglich mit einem Minimum an Stickstoffoxidemissionen erhalten.
Um zu vermeiden, dass zu viel Rauchgase im Wärmetauscher rezirkuliert werden, ist es vorteilhaft, den kältesten Kammern des Wärmetauschers nicht mit den Rauchgasen vermischte Luft zuzuführen, da die Bildung von Stickstoffoxiden in diesen Kammern unerheblich ist.
1 veranschaulicht eine Verbrennungsanlage für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
2 veranschaulicht mehr im Detail einen Wärmetauscher mit Wirbelschicht.
Die in 1 gezeigte Verbrennungsanlage wurde teilweise oben vorgestellt. Die Rauchgase, die oben aus dem Zyklon 3 austreten, passieren einen E-Filter 6 oder Schlauchfilter, so dass ihnen der Staub entzogen wird, bevor sie in 8 über einen Schornstein abgezogen werden. Hinter dem Filter 6 wird ein Teil der Rauchgase abgezogen und dient im Wärmetauscher 7 als Fluidisierungsgas, nachdem es ein Druckerhöhungsgebläse 9 durchlaufen hat. Wie in 2 gezeigt, kann auch die Luft, die ein Druckerhöhungsgebläse 10 durchlaufen hat, zur Fluidisierung des Feststoffflusses in dem Wärmetauscher 7 verwendet werden.
Wie in 2 gezeigt, werden die Rauchgase allein oder mit Luft gemischt den heißesten Kammern 75A und 75B des Wärmetauschers zugeführt, um den Feststofffluss zu fluidisieren. Den kältesten Kammern 75C und 75D wird vorzugsweise nur Luft zugeführt. Die Fluidisierungsgasmenge in jeder Kammer, die über die Luftkästen 79 und die Düsen 78 führt, und zwar unabhängig davon, ob es sich dabei nur um Luft, nur um Rauchgase oder um ein Rauchgas-/Luftgemisch handelt, wird über Schieber 80 geregelt. Die Luftmenge in dem Luft /Rauchgasgemisch wird ebenfalls über einen Schieber 81 geregelt. Selbstverständlich können die Rauchgase mit einem geringen Sauerstoffgehalt auch in sämtliche Kammern des Wärmetauschers eingeblasen werden.

Claims

Verfahren zur Verminderung der Stickstoffoxidemissionen in einer Brennstoff-Verbrennungsanlage mit einem Feuerraum (1) mit zirkulierender Wirbelschicht, wobei mindestens ein Teil des Feststoffflusses, der aus der Verbrennung des Brennstoffes in dem Feuerraum entsteht, über mehrere Kammern (75A, 75B, 75C, 75D) eines Wärmetauschers (7), der mit Wirbelschicht arbeitet, wieder in den Feuerraum zurückgeführt wird, wobei dem Wärmetauscher ein Fluidisierungsgas zugeführt wird, das einen geringeren Sauerstoffgehalt besitzt als die Luft, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehreren (75A, 75B) der Wärmetauscherkammern das sauerstoffarme Fluidisierungsgas, das allein oder in einem Luftgemisch verwendet wird, zugeführt wird, und dass der anderen oder den anderen (75C, 75D) Wärmetauscherkammern nur Luft zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, demzufolge die Verbrennungsanlage einen Filter (6) für die Rauchgase besitzt, und bei dem das sauerstoffarme Fluidisierungsgas aus den Rauchgasen besteht, die hinter dem Filter abgezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei der anderen Wärmetauscherkammer oder bei den anderen Wärmetauscherkammern (75C, 75D), der oder denen nur Luft zugeführt wird, um die kälteste Kammer oder die kältesten Kammern des Wärmetauschers (7) handelt.