DE69108023T2

DE69108023T2 - Verfahren zum Kühlen von aus Partikeln bestehendem Material, insbesondere von feinkörnigem Staub.

Info

Publication number: DE69108023T2
Application number: DE69108023T
Authority: DE
Inventors: Roine Braennstroem; Antal Molnar
Original assignee: ABB Stal AB
Current assignee: ABB Stal AB
Priority date: 1990-04-30
Filing date: 1991-04-29
Publication date: 1995-10-26
Anticipated expiration: 2011-04-30
Also published as: SE9001563D0; DK0527878T3; JPH05507788A; WO1991017391A1; EP0527878B1; FI101573B; US5297622A; ES2072611T3; SE468364B; JP3017532B2; FI101573B1; DE69108023D1; FI924920A0; EP0527878A1; FI924920A; SE9001563L; AU7857891A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von partikelförmigem Material. Das Verfahren ist insbesondere bestimmt zur Kühlung von sehr feinkörnigem Staub, beispielsweise Staub, der aus Abgasen von einer Verbrennungsanlage abgeschieden wird, die Brennstoff, vorzugsweise Kohle, in einem unter Druck stehenden Wirbelbett verbrennt. Die Kühlung erfolgt, bevor die Gase einer Gasturbine zugeführt werden. Eine Anlage dieser Art wird im allgemeinen als PFBC- Kraftwerksanlage bezeichnet. PFBC sind dabei die Anfangsbuchstaben des englischen Begriffes "Pressurized Fluidized Bed Combustion".

Stand der Technik

Bei der Verbrennung von Kohle in einem Wirbelbett aus einem partikelförmigen schwefelabsorbierenden Material, zum Beispiel Kalk oder Dolomit, werden die Abgase von einer großen Menge Asche begleitet, die von dem Brennstoff und feinkörnigen Absorptionsmittelrückständen herrühren. Dieser Staub wird aus den Abgasen in einer Reinigungsanlage abgeschieden, die gewöhnlich aus Zyklonen besteht, bevor die Gase zum Antrieb einer Gasturbine verwendet werden. Im folgenden wird der abgeschiedene Staub als Zyklonasche bezeichnet. Die Verbrennung erfolgt bei einem beträchtlich über dem atmosphärischen Druck liegenden Druck. Der Druck kann etwa 20 bar betragen, er liegt gewöhnlich zwischen 12 und 16 bar bei Vollast, ist aber bei Teillast niedriger. Die Verbrennung des Brennstoffes erfolgt in dem Bett bei einer Temperatur in der Größenordnung von 850ºC. Die Verbrennungsgase und der begleitende Staub haben die gleiche Temperatur wie das Bett.
Auch der abgeschiedene Staub, der Zyklonstaub, hat diese hohe Temperatur. Daher bereitet seine Behandlung beträchtliche Probleme.
Um die Asche handhaben zu können, muß folgendes geschehen:
1. Die Zyklonasche muß auf eine Temperatur unter 100ºC, vorzugsweise auf unter 70ºC, abgekühlt werden. Die Abkühlung auf diese niedrige Temperatur ist erforderlich, um die Lagerung der Asche in billigen Aschesilos, zum Beispiel Betonsilos, und den Transport der Asche mit konventionellen Massentransportvorrichtungen zu ermöglichen.
2. Der Druck muß von 3 bis 16 bar auf Atmosphärendruck reduziert werden.
3. Die Temperatur muß reduziert werden, um den Transport von abgeschiedenem Staub durch einfache Transportvorrichtungen zu den Aschesilos zu ermöglichen, die häufig in einer beträchtlichen Entfernung von der Gasreinigungsanlage entfernt angeordnet werden müssen. Entfernungen von 100 bis 300 Metern sind normal.
4. Die Abgase müssen von der Zyklonasche getrennt werden, bevor die Asche auf eine Temperatur unter den Taupunkt für Schwefelsäure abgekühlt wird. Die Taupunkttemperatur hängt ab von dem Druckniveau, dem Feuchtigkeitsgehalt und dem Gehalt an Schwefeldioxyd in den Abgasen, die für den pneumatischen Transport der Zyklonasche verwendet werden;
ise liegt im allgemeinen zwischen 100 und 180ºC. Anderenfalls kondensiert Schwefelsäure auf den Kühlflächen bei Temperaturen unter dem Taupunkt, und Aschepartikel bilden einen ständig wachsenden Überzug auf den Kühlflächen, bis die äußere Temperatur des Überzuges gleich oder größer als die betreffende Taupunkttemperatur ist.
In bekannten PFBC-Kraftwerksanlagen wird die Zyklonasche von etwa 700ºC in zwei Stufen abgekühlt. In der ersten Stufe wird die komprimierte Verbrennungsluft gewöhnlich als Kühl mittel verwendet, und in dieser ersten Kühlstufe kann der Kühler eine druckreduzierende Ascheabführvorrichtung sein, die zusammen mit der Brennkammer in einem Druckgefäß untergebracht ist. Die Lufttemperatur beträgt nach der Kompression 250 bis 300ºC und ermöglicht eine Abkühlung auf 300 bis 400ºC. Eine Ascheabführvorrichtung der obengenannten Art, die als Kühler aufgebaut ist, wird in dem europäischen Patent Nr. 0 108 505 beschrieben.
In einer zweiten Kühlstufe kann die Zyklonasche durch Wasser gekühlt werden, und der Wärmeinhalt kann zur Vorwärmung von beispielsweise Speisewasser oder zur Fernwasserheizung verwendet werden. Der feinkörnige Zustand und die schlechte thermische Leitfähigkeit der Zyklonasche gestaltet die Kühlung schwierig. Um einen guten Kontakt zwischen Asche und Kühlflächen zu erhalten, wird die Zyklonasche zweckmäßigerweise in dem Kühler fluidisiert. Die Abführung von Wärme mit der Fluidisierungsluft bedeutet einen unerwünschten Wärmeverlust.
WO-A-9 000 702 zeigt einen Kühler, der als wassergekühlte Transportschnecke ausgebildet ist. Das US-Patent Nr. 4 492 184 zeigt einen Kühler, der als geneigtes Bettgefäß ausgebildet ist, in welchem Zyklonasche das Bett bildet.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der Erfindung gehört zu einem Verfahren zur Kühlung von partikelförmigem Material, welches aus feinkörnigem Material besteht, das aus Abgasen von einer Verbrennungsanlage getrennt wurde und pneumatisch mittels Abgas als Transportgas pneumatisch zu einem Kühler transport wird, ein Raum zur Trennung von Abgasen und Staub, ein Auslaß für die Abgase, ein nach unten gerichteter, verhältnismäßig vertikaler Schacht mit Kühlvorrichtungen, Vorrichtungen für die Zuführungen von Gas, vorzugsweise Luft, zur Beseitigung von Abgasen aus dem im Schacht nach unten fließenden Material und eine Materialabführvorrichtung am unteren Ende des Schachtes.
Vorzugsweise ist der Kühler der ersten Kühlstufe in dem Druckgefäß der PFBC-Anlage angeordnet und der Kühler der zweiten Kühlstufe außerhalb dieses Druckgefäßes. Der Raum zur Trennung von Transportgas und Staub befindet sich im oberen Teil des Kühlers und über dem obengenannten Schacht. Transportgas und Staub werden zweckmäßigerweise dem Kühler über eine druckreduzierende Düse und eine Einlaßkammer Zugeführt, die an den Trennraum angeschlossen ist.
Die Kühlvorrichtung in dem Schacht enthält eine Anzahl von Kühlmodulen in unterschiedlicher Höhe. Die Kühlmodule sind zweckmäßigerweise in Reihe geschaltet. Sie können aus rohrförmigen Spiralen oder aus vertikal angeordneten Plappen bestehen. Die Abführvorrichtung kann zum Beispiel aus einein Drehschieberaufgeber, einer Transportschnecke oder einem sogenannten L-Ventil am Boden des Schachtes bestehen, wobei das Ventil an ein Transportrohr angeschlossen ist, welches in einem Sammelsilo mündet.
Um die letzten Reste von Abgas aus der Staubsäule in dem Schacht zu entfernen, sind auf einem oder mehreren Niveaus Vorrichtungen zur Versorgung des Schachtes mit Gas, zweckmäßigerweise Luft, vorhanden. Das Gas strömt in einer Richtung entgegengesetzt zum Staubstrom. Das Gas kann kontinuierlich zugeführt werden, jedoch ist eine intermittierende Zuführung besser geeignet. Durch eine intermittierende Zuführung kann ein Aufrühren der Staubsäule, welches Aufrühren günstig für die Kühlwirkung ist, mit einem Minimum an Gas und geringen Wärmeverlusten erreicht werden.
Ein Meßwertgeber oder gewöhnlich mehrere Meßwertgeber sind. im oberen Teil des Kühlers zur Bestimmung der Staubhöhe angeordnet. Diese Meßwertgeber sind an eine Signalverarbeitungs- und Steuervorrichtung angeschlossen zur Steuerung der Abführung des Materials in einer solchen Weise, daß das Materialniveau innerhalb vorgegebener Grenzen gehalten wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt schematisch die Erfindung,
Figur 2 zeigt den Kühler mit Kühlvorrichtungen, die separat mit Kühlwasser aus verschiedenen Kühlquellen gespeist werden und
Figur 3 zeigt eine Luftdüse.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

In den Figuren bezeichnet 10 ein Druckgefäß. In dem Druckgefäß 10 sind untergebracht eine Brennkammer 12, eine Reinigungsanlage 14 und eine druckreduzierende Abführvorrichtung 16. Brennstoff wird der Brennkammer 12 über eine Leitung 18 zugeführt und im Bett 20 verbrannt. In Rohren 21 erzeugter Dampf treibt eine nicht dargestellte Dampfturbine. Die Verbrennungsgase werden in dem Freiraum 22 gesammelt, in der Reinigungsanlage 14, die durch einen Zyklon symbolisiert ist, gereinigt und der Turbine 24 zugeführt. Die Turbine 24 treibt einen Kompressor 26, welcher den Raum 28 im Druckgefäß 10 mit komprimierter Verbrennungsluft versorgt. Auf ihrem Weg zu den Düsen 30 im Boden 32 der Brennkammer 12 passiert die Verbrennungsluft die druckreduzierende Ascheabführvorrichtung 16, die als Kühler konstruiert ist. Diese Vorrichtung 16 ist in einem Kanal 34 für Verbrennungs luft angeordnet.
Von dem Zyklon 14 wird abgesonderter Staub pneumatisch mit Verbrennungsgasen als Transportgas durch die Ascheabführvorrichtung 16, die als Kühler ausgebildet ist, transportiert, wo der Staub und das Gas von etwa 850ºC auf 300 bis 400ºC abgekühlt werden. Von da geht der Transport weiter durch die Leitung 35 zu dem nachgeschalteten Kühler 36, wo der Staub auf unter 100ºC abgekühlt wird. Dieser zweite Kühler 36 besteht aus einem vertikalen Behälter, der im oberen Teil einen Raum 40 zur Abtrennung von Staub aus dem Transportgas hat, sowie einem vertikalen Schacht 42 in seinem unteren Teil, in welchem der abgeschiedene Staub eine Materialsäule 44 mit einer oberen Oberfläche 46 bildet. Der Schacht enthält drei Kühlmodule 48a, 48b, 48c, die in Reihe geschaltet sind. Kühlwasser wird dem untersten Modul zugeführt und vom obersten Modul abgeführt. In dem Schacht fließen also Material und Kühlwasser in entgegengesetzter Richtung. Alternativ ist es möglich, die Kühlmodule 48a, 48b, 48c mit Kühlwasser aus verschiedenen Quellen mit unterschiedlichen Wassertemperaturen zu kühlen. Das unterste Kühlmodul 48a wird mit dem kältesten Wasser gekühlt. Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, werden dem Kühler 36 Staub und Transportgas über eine druckreduzierende Düse 50 und eine Einlaßkammer 52 zugeführt, welche über die Öffnung 54 mit dem Raum 40 in Verbindung steht, in welchem Staub und Transportgas voneinander getrennt werden. Der Raum 40 steht mit einem Filter 56 über dem Kühler 36 in Verbindung. Die Einlaßkammer 52 hat eine solche Tiefe, daß sich ein erosionvermeidendes Materialkissen 58 in ihrem unteren Teil ausbildet. Am Boden des Schachtes 42 befindet sich eine Abführvorrichtung in Form eines L-Ventils 60. Der Kühler 36 wird vorzugsweise auf einem Betonsilo 62 plaziert, in welchem Staub gesammelt wird, welcher durch das L-Ventil 60 abgeführt und über die Leitung 64 dem Silo 62 zugeführt wird.
Im oberen Teil des Kühlers befinden sich Niveausensoren 66, 68 zur Anzeige des maximal und minimal zulässigen Materialniveaus 46. Diese Sensoren sind an eine Signalverarbeitungs und Niveausteuervorrichtung 74 angeschlossen. Die Betätigungsvorrichtung 78 für das Ventil 76 wird über die Steuerleitung gesteuert. Das Ventil 76 ist an eine Druckmittelquelle 80 angeschlossen. Beim Öffnen des Ventils 76 wird Material aus dem Schacht 42 des Kühlers 36 abgeführt. Um Rückstände von Verbrennungsgas aus dem Staub zu entfernen und um das Material in der Staubsäule 44 in dem Schacht 42 aufzurühren, damit der Kontakt mit den Kühlflächen verbessert wird, ist eine Anzahl von Luftdüsen 82a, 82b, 82c in dem Schacht 42 vorgesehen, die ebenfalls mit der Druckmittelquelle 80 über Ventile 84a, 84b, 84c und über die Leitung 86 in Verbindung stehen. Wie Figur 3 zeigt, können die Luftdüsen auch aus Rohren 90 mit nach unten gerichteten Öffnungen 92 und schützenden Platten 94 mit Seitenöffnungen 96 bestehen. Staub wird daran gehindert, in die Rohre einzudringen und diese zu verstopfen. Die Düsen 82a, 82b, 82c werden zweckmäßigerweise intermittierend in geeigneten Zeitabständen mit Luft versorgt. Die Luftzufuhr wird mit Hilfe von Steuervorrichtungen 100 gesteuert, welche auf die Betätigungsvorrichtungen 102a, 102b, 102c der Ventile 84a, 84b, 84c einwirken.

Claims

Verfahren zur Behandlung von Staub, welcher dem Abgas einer PFBC-Anlage beigemischt ist, wobei der Staub in einem Staubseparator (14) innerhalb des Druckgefäßes (10) der PFBC-Anlage von den Abgasen getrennt wird und der abgeschiedene Staub einer ersten Kühlung unterworfen wird, bevor er aus dem Druckgefäß mittels Abgas abgeführt wird und dann außerhalb des Druckgefäßes einer weiteren Kühlung unterworfen wird, während welcher er auf gerührt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das den Staub transportierende Abgas außerhalb des Druckgefäßes dem oberen Teil eines vertikalen Schachtes (38) zur Aufnahme des Staubes in eine Materialsäule (44) in dem Schacht zugeführt wird, daß der Staub vom unteren Teil der Materialsäule abgeführt wird, während er gleichzeitig nach unten durch den Schacht befördert wird, um die Oberfläche (46) der Materialsäule innerhalb bestimmter Niveaugrenzen (66, 68) zu halten, daß der Staub der Materialsäule durch die Zirkulation eines Kühlmittels durch Kühlmodule (48a - 48c), die in der Materialsäule angebracht sind, gekühlt wird, um die Temperatur des Staubes der Materialsäule kontinuierlich zu verkleinern, wenn der Staub infolge der Abführung am Boden nach unten durch den Schacht bewegt wird, daß der Staub der Materialsäule durch Injektion von Rührgas in die Materialsäule aufgerührt wird, wodurch das restliche Abgas aus der Materialsäule abgetrennt wird, bevor der Staub auf eine Temperatur abgekühlt worden ist, welche unter dem Taupunkt für Schwefelsäure liegt, und daß Abgas und Rührgas durch das obere Ende des Schachtes aus dem Schacht abgeführt werden.