DE69133138T2

DE69133138T2 - Aufbereitung von flugaschen durch ausbrennen von kohlenstoff in einem trockenen sprudel-wirbelbett

Info

Publication number: DE69133138T2
Application number: DE69133138T
Authority: DE
Inventors: W. Cochran
Original assignee: Progress Materials Inc
Current assignee: Progress Materials Inc
Priority date: 1991-04-05
Filing date: 1991-08-22
Publication date: 2003-03-13
Anticipated expiration: 2011-08-23
Also published as: CA2107571A1; EP0578641A4; US5160539A; EP0578641B1; ES2180533T3; CA2107571C; JPH06509051A; AU1152792A; DE69133138D1; WO1992017415A1; ATE226563T1; EP0578641A1; JP3364684B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von verbessertem Puzzolan durch Flugascheaufbereitung durch Brennen von Kohlenstoff von feinen Flugascheteilchen in einem trockenen Blasen-Wirbelbett aus denselben Teilchen und zur Wiedergewinnung der ansonsten Abfallenergie darstellenden diesem Kohlenstoff zugehörigen Energie.

Hintergrund der Erfindung

Eine Beschreibung von Flugasche, ihres Ursprungs und ihrer früheren Verwendung ist in Spalte 1 von US-A-3,328,180 angeführt.
In der Bauindustrie (insbesondere in der Betonindustrie) sind verschiedene Verwendungen von Flugasche gut bekannt. Die Verwendungen umfassen die Herstellung von Zuschlagstoffen (durch verschiedene Prozesse) für die Verwendung in Betonprodukten, die Verwendung als Roh-Beschickungsgut für Zement-Herstellungsprozesse und für den unmittelbaren Ersatz eines Teils des in Betonprodukten verwendeten Zements. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den teilweisen, unmittelbaren Ersatz von Zement.
Es sind verschiedene Flugascheeigenschaften bekannt, die ihre Nützlichkeit für den Zementersatz begrenzen. Die hauptsächlichsten dieser Eigenschaften sind der hohe Kohlenstoffgehalt und die große Teilchengröße. Andere unerwünschte Eigenschaften umfassen einen Überschuss an magnetischen Eisenverbindungen, einen Überschuss von Cenospheren (Mikrohohlkugeln) und niedrige Puzzolanität. Die bekannten Prozesse sind mit unterschiedlichen ökonomischen Ergebnissen angewendet worden, um einige dieser Kennwerte zu verbessern. So kann zum Beispiel die Teilchengröße durch Pulverisierung, Sieben oder Sortierung verringert werden. Gleichermaßen kann magnetisches Eisen durch magnetische Trennung und überschüssige Cenospheren (Mikrohohlkugeln) durch Flotation entfernt werden. Obwohl geringe Puzzolanität durch diese Verfahren verbessert werden kann, ist das manchmal mit Besonderheiten in der Flugaschechemie verbunden und kann durch die bekannten Verfahren nicht verbessert werden.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Verringerung von Kohlenstoff in der Flugasche. Das ist in der Vergangenheit durch verschiedene Verfahren erfolgt. Jedoch die Modifikationen im kohlebeheizten Ofen, die Sortierung nach Teilchengröße und elektrostatische Trennverfahren, sowie das Nass-Flotationsverfahren in US-A-4,121,945, die die Kohlenstoffreduzierung durch Prozesse ausführen, unterschieden sich deutlich von denen der vorliegenden Erfindung. Nur die vorliegende Erfindung und die Prozesse, die in US-A-3,979,168, in einem Bericht von Vliegasunie B. V. (Dutch Fly Ash Corporation, undatierter Bericht, Seite 6, Abschnitt 3.3., veröffentlicht Mitte der 80er Jahre) und in US-A-4,705,409 offenbart werden, verringern den Kohlenstoffgehalt der Asche durch Oxidieren des Kohlenstoffs.
Das Brennen von Kohlenstoff ist bekannt. Wenn jedoch der Kohlenstoff durch inerte Verbindungen einen hohen Grad von ballst aufweist und nicht durch flüchtige Verbindungen, wie in Flugasche, begleitet ist, wird die Verbrennung sehr schwierig. Die kritischen Faktoren beim Erreichen einer solchen Verbrennung sind die Verweilzeit, die Reaktionstemperatur und stoffverfügbarkeit. Die Mindest-Entzündungstemperatur und der Sauerstoffbedarf sind relativ gut bekannt. Eine richtige Kombination von Betriebsbedingungen für die trockene Wirbelbett- Oxidation und insbesondere die Mindest-Verweilzeit waren früher für Kohlenstoff in der Flugasche unbekannt.
In frühen Arbeiten wurden zwei Arten von Transportreaktoren mit Verweilzeiten von 1 bis 15 Sekunden getestet. Mit Transportreaktor ist ein Reaktor gemeint, in dem sich alle Reaktionsmittel zusammen mit mehr oder weniger gleicher Geschwindigkeit bewegen. Bei diesen frühen Arbeiten wurde das große Luftvolumen, das erforderlich war, um ausreichend Sauerstoff für den Kohlenstoff- Ausbrand zur Verfügung zu stellen, verwendet, um die reagierende Flugasche von den Einlass- zu den Auslasspunkten zu transportieren. Es wurde kein wesentlicher Kohlenstoff-Ausbrand festgestellt.
Wirbelbett-Reaktoren sind, unter anderem, gut bekannt für ihre Fähigkeit eine ausgedehnte Verweilzeit für bestimmte Reaktionen zur Verfügung zu stellen. Wirbelbetten werden grob in Blasenbett- und Zirkulationsbett-Typen unterteilt. Beim Blasenbett bleibt das Festmaterial im Wesentlichen an seinem Platz im Bett, während das gasförmige (oder manchmal flüssige) Material sich nach oben durch das Bett bewegt. Beim Zirkulationsbett-Typ ist die Geschwindigkeit des Fluids stark erhöht, so dass das Bett sehr verdünnt wird und das meiste oder das gesamte Festmaterial wiederholt aus dem Bett ausgestoßen, von dem Fluid getrennt und wieder in das Bett eingeführt wird.
Zirkulations-Wirbelbetten sind dafür bekannt, dass sie für sehr feine Feststoffe (wie zum Beispiel Flugasche) wegen der ökonomischen Schwierigkeit, wiederholt die feinen Feststoffe von dem Fluidstrom zu trennen, unvorteilhaft sind.
Die vorliegende Erfindung hat die Probleme der dem Stand der Technik entsprechenden Verarbeitungsverfahren überwunden, indem aufgezeigt wird, wie ein trockener Blasenwirbelbett-Reaktor ökonomisch zu verwenden ist. Mit "trocken" ist gemeint, dass das Wirbelbett im Wesentlichen frei von jeder Flüssigkeit ist.
Im Fachgebiet der Wirbelbett-Katalysatoren ist beobachtet worden dass dichte Pulverbetten bei viel höheren Gasgeschwindigkeiten aufrechterhalten werden können, als die berechnete Absetzgeschwindigkeit der einzelnen Teilchen. F. A. Zenz führt das in dem Handbuch der Pulver-Wissenschaft und Pulvertechnik (herausgegeben von M. E. Fayed and L. Otter), Kapitel 10, Seite 464 (1984 Van Nostrand Reinhold Co.) an. Es war jedoch nicht bekannt, ob ein trockener Blasenwirbelbett-Reaktor unter Verwendung von Flugascheteilchen anstelle von Katalysatorteilchen ökonomisch verwendet werden könnte, um den Flugasche-Kohlenstoff zu reduzieren. Weil Flugasche einen sehr viel geringeren Wert hat, als Katalysator-Feingut, würde die akzeptable Wirtschaftlichkeit sich stark unterscheiden. Weiterhin würde die erwartete zulässige Geschwindigkeit in der Größenordnung von 0,3048 cm(sec (0,01 ft/sec) liegen. Das entspricht der Absetz-Endgeschwindigkeit des einzelnen Teilchens, die für die feine Flugasche erwartet wird und die einen übermäßigen Transport von Material aus dem Wirbelbett verhindert. Ein Reaktor, der diese Geschwindigkeit verwendet, würde eine riesige Grundfläche haben, um die erforderliche Luftmenge durchzulassen und wäre deutlich unökonomisch. Es ist nun entdeckt worden, dass die Bettgeschwindigkeit auf etwa das Zweifache der Größenordnung erhöht werden kann, ohne wesentlich von den Blasen-Betriebsbedingungen abzuweichen. Das gilt selbst für nicht-katalytische Blasen-Wirbelbetten, welche die feinen Flugascheteilchen als Bett für die Teilchen verwenden. Die Verwendung der hohen Geschwindigkeit ermöglicht die Verringerung der Bett-Grundfläche um einen Faktor von ungefähr 100 bei offensichtlichen ökonomischen Vorteilen.
EP 0 227 196 beschreibt einen Prozess für die Kohlevergasung, um Synthesegas herzustellen, der die Schritte der Zuführung der Kohle in Teilchenform zu der Vergasungszone, das teilweise Oxidieren der Kohle mit Sauerstoff in der Vergasungszone und das Erzeugen eines Strom aus Synthesegas und Flugasche umfasst.
Danach wird der Strom abgekühlt und die Flugasche wird von dem Strom getrennt. Darauf wird die getrennte Flugasche in den Wirbelbettzustand überführt und mit Sauerstoff oxidiert, um im Wesentlichen kohlenstofffreie und erhitzte Gase herzustellen.
SU 734162 offenbart einen leichten Füllstoff für Beton, der aus granulierter Flugasche erhalten wird und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Füllstoffs mit den Schritten des Ausbrennens der Kohle durch Erhitzen des granulatförmigen Materials auf 1350-1400ºC, Halten der Temperatur über 15-16 Minuten und Abkühlen des granulatförmigen Materials.
DE 26 11 213 A1 zeigt ein Verfahren zum Herstellen von Klinker- Mauersteinen auf, die aus einer Flugasche enthaltenden Mischung hergestellt sind. Die rohe Flugasche wird unter Verwendung konstanter Mengen von Flugasche und Luft auf eine Temperatur von 600-1000ºC erhitzt. Eine diesbezügliche Anlage verwendet eine Verbrennungskammer, die sich in einem Beschickungsbehälter für die Flugasche befindet, die auf 500ºC vorgewärmt ist. Der Verbrennungskammer folgt ein Nachbrenner zum Entfernen jeglichen Kohlenstoffs aus der Flugasche bei einer Temperatur zwischen 600 und 1000ºC.

Zusammenfassung der Erfindung

In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zum Verringern des Kohlenstoffgehalts von feinen Flugasche-Teilchen so, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist.
Die Oxydation erfolgt bei einem Überschuss zwischen ungefähr 5 und ungefähr 15% Sauerstoff. Mit "Überschuss" ist der Sauerstoff gemeint, der über die Menge hinausgeht, die für eine Oxidation von Kohlenstoff im molaren Gleichgewicht erforderlich ist. Es ist weiterhin erforderlich, die überschüssige Wärme aus dem Bett zu entfernen und es ist bevorzugt, diese Wärme wiederzugewinnen und wiederzuverwenden. Die bevorzugten Betttemperaturen liegen zwischen ungefähr 760ºC (1400ºF) und ungefähr 927ºC (1700ºF) und noch bevorzugter zwischen ungefähr 816ºC (1500ºF) und ungefähr 871ºC (1600ºF). Die Luftgeschwindigkeit beträgt bevorzugt zwischen ungefähr 0,348 und 0,381 m/s (ungefähr 1 und ungefähr 1,25 ft/sec). Bevorzugt beträgt das Volumenverhältnis von Luft zu Flugasche zwischen ungefähr 1200 und ungefähr 1300, am bevorzugtesten 1250. Die bevorzugte Verweilzeit beträgt zwischen ungefähr 10 und 80 Minuten und noch bevorzugter zwischen ungefähr 30 und ungefähr 50 Minuten. Es ist bevorzugt, dass die Teilchen des Wirbelbetts, vornehmlich die Flugasche-Teilchen, eine durchschnittliche Teilchengröße von ungefähr 100 um oder weniger haben.
Eine andere Ausführung der vorliegenden Erfindung ist verbessertes Puzzolan, das aus Flugasche-Teilchen hergestellt ist, die einen nach dem vorher beschriebenen Verfahren verringerten Kohlenstoffgehalt haben. Das aufbereitete Puzzolan ist als ein unmittelbarer Ersatz eines Teils von Portlandzement in zementartigen oder zementhaltigen Gemischen verwendbar, die Flugasche enthalten, die in dem Blasen-Wirbelbett-Ausbrand-Prozess (Oxidieren), der vorher beschrieben wurde, konditioniert ist. Es wird bevorzugt, dass das verbesserte Puzzolan weniger als 4% Kohlenstoff und eine solche Größe aufweist, dass mindestens 66% davon durch Nassanalyse ein Sieb der Maschenweite 325 passiert.
Aus der Kohlenstoffverringerung durch die vorliegende Erfindung ergeben sich drei unmittelbare Vorteile. Erstens wird Flugasche mit schlechter Qualität zu einem marktfähigen Produkt. Zweitens kann wärmeenergie, die etwa 0,5% der gesamten Kraftwerksanlage ausmacht, für die Wiederverwendung wiedergewonnen werden. Schließlich sind Vorteile für die Umwelt direkt durch die Verringerung der Menge der Flugasche, die zu den Entsorgungsplätzen gebracht wird und zusätzlich durch die Immobilisierung von Schwermetallen in der Flugasche, die zu verzeichnen ist, wenn Puzzolan Bestandteil der Betongrundmasse wird, vorhanden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein erklärendes Flussdiagramm der Flugaschekohlenstoff-Ausbrennanlage der bevorzugten Ausführung und der besten Betriebsweise der vorliegenden Erfindung. Die Betriebsbedingungen für die beste Betriebsweise sind die bevorzugten Bedingungen, die in der Zusammenfassung der Erfindung angeführt sind.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, welche den Wirbelbett- Ausbrenn-Testmodul für das Testen der hierin beschriebenen Bespiele darstellt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungen

Die nachfolgenden Ausführungen stellen eine allgemeine Beschreibung der Vorteile und einer Übersicht über die Flugaschekohlenstoff-Ausbrennanlage der in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Konstruktion dar. Die Zahlen beziehen sich auf die Kennzeichnungssymbole in Fig. 1.
Es sind verschiedene Ausgestaltungsstrategien einbezogen worden, um die Kapitalkosten der Anlage zu minimieren, die Arbeitsgänge zu vereinfachen und die Betriebskosten zu verringern. Die wesentlichsten davon sind:
- Keine kontinuierliche Brennstoffnutzung. Brennstoff wird von außen nur für Kalt- und Warmstarts zugeführt, um die Brenner 2150, 2160 und 2170 in Betrieb zu setzen. Heißstarts (die Einheit war über weniger als einen Tag abgeschaltet) und Normalbetrieb erfordern keine externe Brennstoffzufuhr.
- Wärmerückgewinnung in einem heißen Gasstrom 3116. Das vermeidet die hohen Kosten einer Oberfläche für die Übertragung von Flüssigkeitswärme, Pumpen, Ventile, usw. (nicht nur an der Kohlenstoff-Ausbrennanlage, sondern auch im Wärmeaufnahmebereich der Kraftwerksanlage).
- Keine Wärmeübertragungsfläche innerhalb des Betts. Die Verwendung von relativ kühler Asche aus dem Recyclingasche-Behälter 5210, um die Temperatur zu steuern, erübrigt jede teure und erosionsanfällige Wärmeübertragungsfläche in dem Wirbelbett in der Brennkammer 2110. Es ist jedoch zu bemerken, dass die spezifischen Bedingungen an einigen Orten die zusätzlichen Kosten einer Wärmeübertragungsfläche in dem Bett und/oder die Verwendung eines Mediums für die Übertragung von Flüssigkeitswärme rechtfertigen.
Um den Prozess zu speisen, wird Flugasche von dem Silo 1121 zu einem Flugasche-Beschickungsbehälter 1220 transportiert, der sich über der Wirbelbett-Verbrennungskammer (FBC) 2110 befindet. Von diesem Beschickungsbehälter 1220 wird die Flugasche dem Blasen-Wirbelbett in der Verbrennungskammer 2110 in der erforderlichen Menge zugeführt.
Die Wirbelbett-Verbrennungskammer 2110 ist allgemein in Sektionen oder Stufen (normalerweise drei) unterteilt. Die Flugasche verlässt die Verbrennungskammer entweder als Übertrager (mit dem Abgas in der Leitung 2001) oder durch Überströmen eines Überlaufwehrs 2114 an dem der Zuführung gegenüberliegendem Ende.
Die heiße Flugasche, die über das Wehr 2114 strömt, fällt in den Luftvorwärmer 3120. Der Luftvorwärmer 3120 ist ein indirekter Hochtemperatur-Wärmeaustauscher. Die Doppelfunktionen des Luftvorwärmers 3120 sind das Abkühlen der Flugasche für die nachfolgende Handhabung und die Wärmerückgewinnung. Die rückgewonnene Wärme lässt die Temperatur der Luft von dem Saugzuggebläse 3110 auf zwischen 316ºC (600ºF) und 538ºC (1000ºF) ansteigen. Der größte Teil dieser Luft wird zu Wirbelbettverbrennungsluft. Die restliche heiße Luft, die ihre rückgewonnene Wärme trägt, wird über die Leitungen 3114 und 3116 zu der Kraftwerksanlage abgeleitet.
Eine Partikelgrößen-Sortiereinrichtung 4110 beseitigt Fremdmaterialen, gesinterte Klumpen, usw. vor dem Transport des Ascheprodukts zu dem Silo 6141 aus der abgekühlten Flugasche. Material mit einer Übergröße wird durch die Leitung 4121 entsorgt.
Die richtig dimensionierte Flugasche mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wird zu dem Ascheprodukt-Silo 6141 zur Lagerung transportiert. Dieses Silo 6141 ist für das Entladen in Differenzdruckwagen ausgerüstet.
Eine wesentliche Menge des Wirbelbettmaterials verlässt das Bett über die dem Abgasleitung 2001 als Übertrager. Dieses Material wird in dem elektrostatischen Abscheider (ESP) 8110 gesammelt und durch Schwerkraft in den Recyclingasche-Beschikungsbehälter 5210 gebracht. Die atmosphärische Luft aus der Leitung 8161 verdünnt den ESP 8110-Zuführungsstrom und hält die Gesamtstromtemperatur bei Werten, die für den ESP 8110 tolerierbar sind. Das gereinigte Abgas und die verdünnte Luftmischung werden von dem ESP 8110 abgesaugt und werden (zusammen mit der rückgewonnenen Wärme) über die Leitungen 8111 und 3116 durch das ausgelöste Saugzuggebläse 8150 weiter befördert.
Der heiße Gasstrom in der Leitung 3116 zu der Kraftwerksanlage besteht aus der überschüssigen Frischluft aus der Leitung 3114 von dem Luftvorwärmer 3120 und aus der Mischung des gereinigten Wirbelbett-Abgases und der verdünnten Luft von der Leitung 8111. Dieser heiße Gasstrom wird in den Saugzugkanal (nicht dargestellt) stromabwärts des Kraftwerksanlagen-Lufterhitzers (nicht dargestellt) eingeleitet. Das führt zu einer leichten Verringerung des Saugzugluftstroms in der Kraftwerksanlage und zu einer leichten Zunahme der Verbrennungslufttemperatur in der Kraftwerksanlage. Das führt wiederum zu weniger Kohleverbrauch und zu einer Verbesserung des Einheits-Wärmeaufwandskoeffizienten.
Die in dem Recyclingasche-Beschickungsbehälter 5210 durch den Staubsammler ESP 8110 abgelagerte Asche wird im Wesentlichen durch die verdünnte Luft abgekühlt, die durch den Dämpfer 8160 zugeleitet wird. Diese Asche wird wieder in die Wirbelbett-Verbrennungskammer 2110 eingeleitet, wo sie als wärmeableiter wirkt, um die Wirbelbetttemperatur zu steuern. Für die meisten Betriebsbedingungen ist der Auslassstrom aus dem Staubsammler (ESP 8110) nicht ausreichend, um die Wirbelbetttemperatur vollständig zu steuern. Daher wird zusätzlich benötigte kühle Asche von dem Luftvorwärmer 3120 zu dem Recyclingasche-Beschickungsbehälter 5210 durch die Leitung 5111 transportiert.
Einzelne Zuführeinrichtungen 5140, 5150 und 5160 bringen die Recyclingasche in jede der drei Wirbelbettsektionen, wie es erforderlich ist, um die Sollwerttemperatur in dieser Sektion beizubehalten. Der Recyclingasche-Beschickungsbehälter 5210 befindet sich über der Wirbelbett-Verbrennungskammer 2110 längsseits des Zuführasche-Beschickungsbehälters 1220.

Funktionsbeschreibung

Die folgende Funktionsbeschreibung beschreibt den Zweck und den Betrieb jedes Hauptausrüstungsbestandteils oder Behälters in jedem System. Die Beziehungen zwischen den Bestandteilen (sowohl physikalisch als auch funktionsmäßig) sind darin eingeschlossen. Die beschriebenen Ausrüstungsbestandteile sind grafisch in Fig. 1 dargestellt.

Zuführaschesystem

Die Flugasche von dem Zuführasche-Silo 1121 wird durch die belüftete Bodenanordnung des Silos 1122 abgegeben. Ein Trennventil (nicht dargestellt) ist vorgesehen. Die Asche fließt in die Zuführasche-Transporteinrichtung 1110. Die Transportluft wird durch das Zuführasche-Transportgebläse 1120 geliefert. Das Gebläse 1120 läuft während der Arbeitsgänge der Kohlenstoff-Ausbrennanlage ständig. Das Steuersystem taktet die Transporteinrichtung 1110 wiederholt, wie es erforderlich ist, um den Sollwertpegel in dem Flugasche-Beschickungsbehälter 1220 einzuhalten.
Der Flugasche-Beschickungsbehälter 1220 befindet sich über der Wirbelbett-Verbrennungskammer 2110. Angeschraubte Kraftmessdosen (nicht dargestellt) liefern eine primäre Pegelanzeige für den Flugasche-Beschickungsbehälter 1220.
Das Flugasche-Beschickungsbehälter-Belüftungsgebläse 1140 liefert Luft zu der Flugasche-Beschickungsbehälter-Belüftungs-Abgabeeinrichtung 1150 um die Inhalte des Beschickungsbehälters 1220 in einem fluiden Zustand zu halten. Die Belüftungsluft sowie die Transportluft werden gereinigt und durch einen Flugasche-Beschickungsbehälter-Entlüftungsfilter 1130 freigegeben.
Die Wirbelbett-Flugasche-Rotations-Zuführeinrichtung 1160 gibt die Flugasche aus dem Flugasche-Beschickungsbehälter 1220 über die Zuführasche-Fallwaage 1170 ab. Unter Verwendung der Rückkopplung von der Fallwaage 1170 verändert das Steuersystem die Geschwindigkeit der Wirbelbett-Flugasche-Rotations-Zuführeinrichtung 1160, um eine dem Sollwert entsprechende Wirbelbett- Zuführungsmenge aufrechtzuerhalten.

Wirbelbett-Verbrennungssystem

Die Hauptkomponente der Wirbelbett-Verbrennungskammer 2110 ist ein mit feuerfestem Material ausgekleidetes Stahlgehäuse. Seine Abmessungen sind so gewählt, dass die erforderliche Verweilzeit, Gasgeschwindigkeit und Betttiefe gewährleistet sind.
Die Zuführasche fließt durch die Schwerkraft aus der Zuführasche-Fallwaage 1170 in das Zuführende der Wirbelbett-Verbrennungskammer 2110. Während der Verarbeitung wandert die Asche nach unten entlang der Länge der Wirbelbett-Verbrennungskammer 2110 und tritt am entgegengesetzten Ende aus. Die Wehre 2112, 2113 und 2114 an Zwischenstellen in dem Bett unterteilen des Wirbelbett in drei Stufen.
Wahlweise könnten Betterhaltungs-Rezirkulationseinrichtungen (nicht dargestellt) das Bettmaterial von der zweiten FBC-Stufe 2110 zu der ersten und von der dritten zu der zweiten (jeweils) während des Anfahrens zurückführen, um die Betttemperatur gleichmäßig zu halten. Druckluft würde die Bewegungskraft liefern. Zusätzlich können Schnellablass-Klappen am Boden der Rezirkulationseinrichtungen hinzugefügt werden, um Anhäufungen zu entfernen, die dazu neigen, sich dort anzusammeln.
Während des Normalbetriebs strömt heiße Luft von dem Luftvorwärmer 3120 durch den Verbrennungsluftraum 2115 und durch drei paraallele Verbrennungssteuerungs-Dämpfungseinrichtungen 2120, 2130 und 2140. Jede dieser Dämpfungseinrichtungen gibt Verbrennungsluft in einen Raum unter der Bettplatte (nicht dargestellt) jeder Stufe der Wirbelbett-Verbrennungskammer 2110 ab. Die Luft strömt durch ein Luftverteilungssystem (nicht dargestellt), das ausgestaltet ist, um einen Rückstrom der Flugasche nach Ausfall oder Abschalten der das Wirbelbett bildenden Luft zu verhindern.
Der Luftstrom zu jeder Stufe wird durch einen Durchflussmesser (nicht dargestellt) gemessen. Das Steuersystem stimmt die Verbrennungssteuerungs-Dämpfungseinrichtungen 2120, 2130 und 2140 ab, um jede Durchflussmenge bei ihrem Sollwert zu halten. Der Sollwert für jede Stufe wird berechnet, um die gewünschte das Wirbelbett bildende Geschwindigkeit und den gewünschten Luftüberschuss zu sichern.
Relativ kühle Asche von den drei Recyclingasche-Rotations-Zuführeinrichtungen 5140, 5150 und 5160 wird durch Schwerkraft in jede der drei Wirbelbett-Verbrennungskammerstufen geführt. Die Durchsatzmenge jeder Recyclingasche-Zuführeinrichtung 5140, 5150 und 5160 wird durch das Steuersystem variiert, um die Sollwert- Betttemperatur in der jeweiligen Stufe einzuhalten.
Das Verbrennungsabgas und die in ihm transportierte Asche verlassen die Wirbelbett-Verbrennungskammer 2110 an dem Ascheabgabeende. Diese Mischung von Gas und Asche wird durch die Leitungen 2001 und 8162 zu der elektrostatischen Abscheideeinrichtung 8110 geleitet.
Während Kalt- oder Warmstarts wird Öl Nr. 2 von einem Brennstofftank (nicht dargestellt) entzündet, um die Wirbelbett-Verbrennungskammer 2110 und ihre Inhalte auf die Selbstentzündungstemperatur (etwa 704ºC (1300ºF)) zu bringen. Für diesen Zweck werden die FBC 2110 -Kanal-Startbrenner 2150 und FBC 2110 -Kanal-Startbrenner A & B 2160 und 2170 verwendet. Der Kanalbrenner 2150 zündet in den Verbrennungsluftraum, während die anderen Brenner in die FBC 2110 genau über dem Bett-Niveau in der ersten Stufe zünden.
Nachdem die Selbstentzündungstemperatur erreicht ist, ist die Verbrennungsreaktion selbstlaufend und die Verwendung von Öl Nr. 2 wird beendet.

Luftvorwärmsystem

Das Saugzuggebläse 3110 liefert die Bewegungskraft, um Außenluft in den Wärmerückgewinnungsabschnitt des Luftvorwärmers 3120 zu drücken. Der Luftvorwärmer 3120 ist ein Gegenstrom-Feststoff-zu- Gas-Wärmeaustauscher, der Wärme von dem heißen Produkt, das aus der Wirbelbett-Verbrennungskammer 2110 austritt, auf den Saugzugstrom des Kühlers überträgt. Die sich ergebende heiße Saugzugluft wird in zwei Ströme unterteilt. Der Primärstrom strömt in den Wirbelbett-Verbrennungskammer-Luftraum 2115, um Sauerstoff für die Kohlenstoff-Ausbrenn-Reaktion zur Verfügung zu stellen. Der andere Strom strömt durch die Leitung 3114 in den Heißgaskanal 3116 zu der Kraftwerksanlage. Dieser Strom transportiert die rückgewonnene Wärme (welche die Menge der Verbrennungsluft übersteigt, die absorbiert werden könnte) zu der Kraftwerksanlage zur Verwendung.
Das Saugzuggebläse 3110 ist mit Einlass-Dämpfungseinrichtungen (nicht dargestellt) ausgestattet. Das Steuersystem stimmt die Einlass-Dämpfungseinrichtungen ab, um die Heißsaugzuglufttemperatur, mit der die Luft den Luftvorwärmer 3120 verlässt, bei ihrem Sollwert (zwischen 316ºC (600ºF) und 538ºC (1000ºC)) zu halten.
Der Strom der Saugzugheißluft zu der Wirbelbett-Verbrennungskammer 2110 wird durch die Verbrennungssteuerungs-Dämpfungseinrichtungen A, B und C 2120, 2130 bzw. 2140 gesteuert. Die überschüssige Saugzugheißluft strömt durch die Wärmerückgewinnungsluft-Dämpfungseinrichtung 3115 und durch die Leitung 3116, welche den Heißgaskanal zu der Kraftwerksanlage darstellt. Das Steuerungssystem stimmt diese Dämpfungseinrichtung ab, um einen ausreichenden Druck für den korrekten Betrieb der Wirbelbett- Verbrennungskammer 2110 aufrechtzuerhalten.
Der Luftvorwärmer 3120 besteht aus einem mit feuerfestem Material ausgekleideten Stahlgehäuse, das eine Anzahl von Zwangsumlaufluftkanälen aus rostfreiem Stahl enthält. Die Luft von dem Saugzuggebläse 3110 strömt nach oben durch diese Kanäle, während heiße Asche von der Wirbelbett-Verbrennungskammer 2110 nach unten um die Kanäle herum strömt. Der Fluidzustand des Flugascheprodukts wird aufrechterhalten, indem Luft von dem Luftvorwärmer-Belüftungsgebläse 3130 durch die Luftvorwärmer-Belüftungs-Abgabeeinrichtung 3140 geleitet wird.
Die geringe Menge von Belüftungsluft und die gesamte in ihr mitgeführte Asche werden durch die Abgasleitung 2001 der FBC 2110 zu dem elektrostatischen Abscheider (ESP) 8110 zur Reinigung und zur Produktrückgewinnung geleitet.
Ein geeignet bemessener Rost (nicht dargestellt) nahe der Oberseite des Luftvorwärmers 3120 verhindert, dass Klumpen, die groß genug sind, um den Raum zwischen den Wärmeübertragungskanälen zu verstopfen, in diesen Bereich gelangen. Dieses Merkmal ist für den Schutz gegen ungewöhnliche Aufbereitungsbedingungen bestimmt. Wenn solche Bedingungen auftreten, erfordert der Rost eine manuelle Reinigung durch eine darüber angeordnete Reinigungsöffnung.
Angeschraubte Kraftmessdosen (nicht dargestellt) zeigen das Anfangsniveau der Asche an in dem Luftvorwärmer 3120 an. Das Steuersystem verändert die Drehzahl der Produkt-Zuführ-Drehvorrichtung 3150 des Luftvorwärmers 3120, um den Sollwertpegel in dem Luftvorwärmer 3120 aufrechtzuerhalten.

Teilchengröße-Sortiersystem

Das abgekühlte Flugascheprodukt, das den Luftvorwärmer 3120 durch die Produkt-Zuführ-Drehvorrichtung 3150 des Luftvorwärmers verlässt, strömt durch Schwerkraft in die Teilchengröße-Sortiereinrichtung 4110. Die Teilchengröße-Sortiereinrichtung 4110 besteht aus einem abgedichteten, kreisenden Siebmechanismus, welcher Übergrößen von dem Produkt bei etwa der Maschenweite 16 trennt. Der Übergrößenstrom besteht hauptsächlich aus Übergrößenmaterial, das mit der Zuführasche eingetreten ist (Lufterhitzerkorbstücke der Kraftwerksanlage, Stücke des wärmebeständigen Materials des Kessels, Anhäufungen von dem elektrostatischen Abscheider der Kraftwerksanlage usw.) Außerdem werden alle Klumpen, die sich durch das Sintern in der Wirbelbett-Verbrennungskammer 2110 bilden, als Übergröße nicht durchgelassen.
Das Produkt aus der Teilchengröße-Sortiereinrichtung 4110 strömt durch Schwerkraft durch die Leitung 4111 zu dem Einlass des Produkt-Gurtbecherwerks 6110. Übergrößenmaterial strömt durch Schwerkraft über die Leitung 4121 zu dem Übergrößen-Überführungs-Gurtbandförderer 4120. Dieser Gurtbandförderer 4120 transportiert das Übergrößenmaterial aus dem Gebäude der Anlage heraus und hebt es ausreichend an, um es in einen Übergrößen- Abgabetrichter 4210 zu entleeren. Die ersten Meter (Fuß) des Gurts sind abgedeckt. Eine Staubaufnahmeeinrichtung, die von der Gurtabdeckung als Kanal zu dem Produkt-Beschickungsbehälter 6120 abzweigt, sammelt den gesamten Staub, der mit dem Übergrößenmaterial von der Teilchengrößen-Sortiereinrichtung 4110 abgegeben wird.
Das Übergrößenmaterial strömt normalerweise durch Schwerkraft durch den Übergrößen-Abgabetrichter 4210 in ein Kippfahrzeug 9140 der Anlage, das darunter stationiert ist. Der Abgabetrichter 4210 ist mit einer absperrbaren Abgabeöffnung versehen (nicht dargestellt) und er nimmt 0,765 m³ (ein cubic yard) des Beschickungsflusses auf. Dieses Merkmal wird während der kurzen Perioden genutzt, wenn der Kippwagen das Übergrößenmaterial zu dem Entsorgungsbereich transportiert.
Wassersprüheinrichtungen unter dem Abgabe-Beschickungsmaterialtrichter 4210 befeuchten das Material in dem Kipper regelmäßig, um zu sichern, dass es staubfrei bleibt.

Recyclingasche-System

Die gekühlte Produktasche von dem Luftvorwärmer 3120 fließt durch Schwerkraft durch die Leitung 5112 in die Recyclingasche- Transportvorrichtung 5110. Das Einlassventil der Transportvorrichtung (nicht dargestellt) öffnet und schließt, um den Strom zu der Transportvorrichtung 5110 gemäß dem Betriebszyklus der Transportvorrichtung zu steuern. Die Asche von der Transportvorrichtung 5110 wird pneumatisch zu dem Recyclingasche-Beschickungsbehälter 5210 angehoben. Das Recyclingasche-Transportgebläse 5120 liefert die Bewegungskraft für den Transport der Recyclingasche. Die Recyclingasche-Transportvorrichtung 5110 wird in den Luftvorwärmer 3120 über dem Produktaschepegel durch ein kleines Rohr (nicht dargestellt) entlüftet.
Der Recyclingasche-Beschickungsbehälter 5210 besteht aus einem isolierten Silo. Die Übertragasche fließt durch Schwerkraft von den Abgabe-Luftsperren 8120 und 8130 in den Recyclingasche-Beschickungsbehälter 5210. Weiterhin nimmt der Beschickungsbehälter 5210 das gekühlte Produkt aus der Recyclingasche-Transportvorrichtung 5110 über die Leitung 5111 pneumatisch auf.
Angeschraubte Kraftmessdosen (nicht dargestellt) liefern eine ständige Anzeige des Gewichts des Recyclingasche-Beschickungsbehälters 5210. Das Steuersystem steuert die Recyclingasche- Transportvorrichtung 5110 wie es erforderlich ist, um dieses Gewicht bei dem Sollwert zu halten. Das Recyclingasche-Transportgebläse 5120 läuft während des Betriebs der Anlage ständig.
Das Recyclingasche-Belüftungsgebläse 5130 liefert Luft der Recyclingasche-Belüftungs-Abgabeeinrichtung 5135, um die Asche in dem Recyclingasche-Beschickungsbehälter im Fluidzustand zu halten. Sowohl die Belüftungsluft als auch die pneumatische Transportluft werden aus dem Recyclingasche-Beschickungsbehälter über die Leitung 5211 in die Staubsammler-Einlassleitung 8182 entlüftet.
Die Recyclingasche-Abgabeeinrichtungen A, B und C 5140, 5150 bzw. 5160 geben Recyclingasche in die drei Stufen der Wirbelbett-Verbrennungskammer 2110 ab. Das Steuerungssystem verändert die Drehzahl jeder dieser drei Abgabeeinrichtungen wie es erforderlich ist, um die Sollwerttemperatur in der jeweiligen Wirbelbettstufe aufrechtzuerhalten.

Produktfördersystem

Das Produkt strömt von der Teilchengröße-Sortiereinrichtung 4110 durch Schwerkraft über die Leitung 4111 in den abgedeckten Raum des Produkt-Gurtbecherwerks 6110. Das Produkt-Gurtbecherwerk 6110 besteht aus einem abgedichteten Zentrifugal-Förderer, der einen Standardgurt zum Tragen der Nylonbecher verwendet. Die Funktion dieses Förderers ist, die Produktasche anzuheben, damit sie dauernd aus der Teilchengröße-Sortiereinrichtung 4110 in den Produkt-Beschickungsbehälter 6210 abgegeben werden kann.
Der Produkt-Beschickungsbehälter 6210 nimmt ständig Produktasche aus dem Produkt-Gurtbecherwerk 6110 auf und gibt sie losweise in die Produkt-Transportvorrichtung 6130 ab. Der Produkt-Beschickungsbehälter 6210 ist sehr klein. Der Entlüftungsfilter 6120 des Produkt-Beschickungsbehälters 6210 und das Produkt-Beschickungsbehälter-Entlüftungsfiltergebläse 6125 sind auf dem Produkt-Beschickungsbehälter 6210 angebracht. Durch entsprechende Kanäle (nicht dargestellt) halten diese Komponenten das Gehäuse des Produkt-Gurtbecherwerks 6110, die Teilchengröße-Sortiereinrichtung 4110 und den Übergrößen-Überführungs-Gurtbandförderer 4120 unter einem leichten negativen Druck. Das verhindert Staubemissionen aus diesen Vorrichtungen. Zusätzlich entlüftet die Produkt-Transportvorrichtung 6130 in den Produkt-Beschickungsbehälter 6120 über ein kleines Rohr (nicht dargestellt). Wie die Luft von den anderen Aufnahmestellen, wird die Entlüftungsluft durch den Produkt-Beschickungsbehälter-Entlüftungsfilter 6120 vor der Freigabe gereinigt.
Die Produktasche strömt durch Schwerkraft von dem Produkt-Beschickungsbehälter 6210 in die Produkt-Transportvorrichtung 6130. Der Produkt-Beschickungsbehälter 6120 ist für einen Massenfluss ausgelegt, um eine ununterbrochene Zuführung zu sichern. Das Einlassventil der Produkt-Transportvorrichtung (nicht gezeigt) steuert den Fluss gemäß den Entwurfsanforderungen der Transportvorrichtung. Das Steuersystem steuert die Produkt-Transportvorrichtung 6130 wie es erforderlich ist, um den Pegel des Produkt-Beschickungsbehälters 6210 bei seinem Sollwert zu halten.
Das Produkt-Transportgebläse 6140 stellt die Bewegungsluft für den Transport der Produktasche zu der Oberseite des Produktaschesilos 6141 zur Verfügung. Dieses Gebläse 6140 läuft während der Anlagenarbeitsgänge ständig.

Saugzugsystem

Abgas von der Wirbelbett-Verbrennungskammer 2110 wird durch das Saugzuggebläse 8150 über die Leitungen 2001 und 8162 in den elektrostatischen Abscheider(ESP) 8110 gesaugt. Atmosphärische Luft wird durch eine die Verdünnungsluft modulierende Dämpfungseinrichtung 8160 und den Kanal 8161 in die Einlasskanal-Leitung 8162 des elektrostatischen Abscheiders 8110 gesaugt, um die Eingangstemperaturn des elektrostatischen Abscheiders 8110 herabzusetzen. Der kombinierte Abgas- und Verdünnungsluftstrom wird nach dem Reinigen mittels des Saugzuggebläses 8150 durch die Leitung 8111 zu dem Kanal "Heißgas zu der Kraftwerkanlage" 3116 geleitet. Dieser Gasstrom (bei etwa 316ºC (600ºF)) verbindet sich mit dem Heißluftsaugzug-Strom von der Leitung 3114 (bei zwischen 316ºC (600ºF) und 538ºC (1000ºF) in dem Kanal. Der kombinierte Heißgasstrom (bei zwischen 316ºC (600ºF) und 371ºC (700ºF)) transportiert die rückgewonnene Wärme zu dem Saugzugkanal der Kraftwerksanlage genau stromaufwärts des Brennerraums.
Die Belüftungsluft von dem Luftvorwärmer 3120 und dem Recyclingsasche-Beschickungsbehälter 5210 wird über die Leitungen 2002 und 5211 in die Einlasskanal-Leitung 8162 des elektrostatischen Abscheiders 8110 entlüftet. Andere kleinere Entlüftungsströme können ebenfalls durch diesen Kanal geleitet werden. Das Steuerungssystem moduliert die Verdünnungsluft-Dämpfungseinrichtung 8160, um die Einlasstemperatur des elektrostatischen Abscheiders 8110 auf ihren Sollwert zu steuern (ungefähr 316ºC (600ºF)).
Durch den elektrostatischen Abscheider 8110 gesammelter Staub wird durch Schwerkraft über die Auslass-Luftsperren 8120 und 8130 des elektrostatischen Abscheiders 8110 in den Recyclingasche-Beschickungsbehälter 5210 abgegeben.
Das Saugzuggebläse 8150 ist mit einer modulierenden Einlassdämpfungseinrichtung (nicht dargestellt) ausgerüstet. Das Steuerungssystem stellt diese Dämpfungseinrichtung ein, um einen leicht negativen Druck (ungefähr -0,25 kPa (-1 InchWC)) an dem Ausgangsflansch der Wirbelbett-Verbrennungskammer aufrechtzuerhalten. Das Saugzuggebläse 8150 ist erforderlich, um den gereinigten Gasstrom entgegen dem ziemlich hohen statischen Druck (ungefähr 2,5 bis 3,7 kPa (10 bis 15 InchWC)) zu dem Kanal der Kraftwerkanlage zu drücken.

Beispiele

Die Beispiele der vorliegenden Erfindung wurden an einem Wirbelbett-Ausbrenn-Testmodul ausgeführt, der in Fig. 2 dargestellt ist. Der Testmodul in Fig. 2 ist eine einfache, serienmäßig hergestellte Vorrichtung, in der eine Flugascheprobe auf Testtemperatur in einer inerten (sauerstoffarmen) Atmosphäre erwärmt und dann mit Heißluft, welche die Kohlenstoff-Ausbrenn-Reaktion auslöst, in den Fluidzustand versetzt wird. Der Testmodul besteht hauptsächlich aus der Lufterhitzungseinheit 20 und der Wirbelbetteinheit 30 und ihren Hilfsausrüstungen. Die Wirbelbetteinheit 30 besteht aus einem Wirbelbettkasten 29, welcher die Flugascheprobe 31 enthält, dem Belüftungsstein 34 (der für die Verteilung der fluidisierten Luft verwendet wird) und den Bett-Kühlschlangen 33 (verwendet, um den Temperaturanstieg während der Ausbrenn-Reaktion zu steuern). Der Wirbelbettkasten 29 ist wiederum in einen isolierten Stahlkasten 28 eingeschlossen, welcher dazu dient, die Verbrennungsgase von dem LPG-Brenner (Flüssiggas-Brenner) 2 dicht an dem Wirbelbettkasten 29 für das Erhitzen der Probe auf Testtemperatur zu enthalten. Diese Gase werden durch das Abzugsrohr 32 des LPG-Brenners entlüftet.
Die Lufterhitzungseinheit 20 ist im Aufbau ähnlich. Der Innenkasten enthält eine thermale Speichermasse 3, die aus Kies besteht, der als ein Wärmespeicher verwendet wird, und aus einem Wärmeübertragungsmedium. Der äußere isolierte Kasten 27 enthält die heißen Verbrennungsgase von dem LPG-Brenner 1 dicht an dem inneren Kasten 21. Die Gase von dem LPG-Brenner 1 werden durch das Abzugsrohr 22 des LPG-Brenners entlüftet.
Während eines Tests, werden die Bett-Kühlschlangen 33 und das Proben-Wirbelbett 31 in den Wirbelbettkasten 29 eingesetzt. Eine Metallplatte (nicht dargestellt) wird verwendet, um den Wirbelbettauslass 40 abzudecken. Die LPG-Brenner 1 und 2 werden gezündet, um die Temperatur der thermalen Speichermasse 3 bzw. des Proben-Wirbelbetts 31 anzuheben. Die Temperaturen der beiden Einheiten werden durch Thermoelemente 18, 19, 38 und 39 überwacht, wie es dargestellt ist. Wenn die durch das Thermoelement 38 gemessene Betttemperatur 538ºC (1000ºF) erreicht, wird über das Ventil 16 Argon zugeführt und durch den Durchflusswächter 17 zu der Leitung 24 gemessen, welche das Gas durch die thermale Speichermasse 3, das Rohr 25, das Verbindungsstück 35 und den Belüftungsstein 34 in das Probenwirbelbett leitet. Das verhindert, dass ein wesentliches Kohlenstoff-Ausbrennen auftritt, bevor die fluidisierende Luft eingeleitet wird (Labortests haben gezeigt, dass diese Reaktion nicht in einem bedeutsamen Ausmaß unter 538ºC (1000ºC) aufritt). Der Argonfluss wird bei einem Wert gehalten, der ausreichend ist, um einen geringen Sauerstoffgehalt in dem Wirbelbettkasten 29 aufrechtzuerhalten, jedoch nicht ausreicht, um eine messbare Menge von Flugasche aus dem Wirbelbettausgang 40 zu transportieren.
Wenn die thermale Speichermasse 3 und das Probenwirbelbett 31 die gewünschten Temperaturen erreicht haben, wird die Metallplatte (nicht dargestellt), welche den Wirbelbettausgang 40 abdeckt, entfernt. Die LPG-Brenner 1 und 2 werden zurückgeschaltet, das Argonventil 16 geschlossen und das Luftventil 12 geöffnet. Die Luft von dem Kompressor (nicht dargestellt) wird durch den Regler 11 auf einen Druck von etwa 13,8 kPA (2 PSI) verringert. Die Luft strömt durch das Ventil 12, den Strömungswächter 15, die Leitung 23 und durch die thermale Speichermasse 3. Druck und Temperatur der ankommenden Luft werden durch die Druckanzeigeeinrichtung 13 und die Temperaturanzeigeeinrichtung 14 überwacht. Die Wärme wird von der heißen thermalen Speichermasse 3 auf die in dem inneren Kasten 21 ankommende Luft übertragen. Die erhitzte Luft strömt durch das Rohr 25 hinter dem Thermoelement 26 und durch das Verbindungsstück 35 in den Wirbelbettkasten 29. Die heiße Luft durchströmt dann den Belüftungsstein 34 in dem Probenwirbelbett 31, wo die Kohlenstoff-Ausbrenn-Reaktion erfolgt. Die Verbrennungsgase (die einen Teil des Materials von dem Probenwirbelbett 31 enthalten) treten am Wirbelbettausgang 40 aus und erzeugen eine sichtbare Asche-Rauchfahne 41. Die Durchflussmenge der ankommenden Luft, die durch den Strömungswächter 15 gemessen wird, wird durch das Ventil 12 eingestellt, um die gewünschte Wirbelbettgeschwindigkeit an der Oberfläche zu erreichen, die erforderlich ist, um die Flugasche-Teilchen in dem Probenwirbelbett 31 in dem Wirbelbettkasten 29 zu fluidisieren. Diese Strömung wird aufrechterhalten, bis die gewünschte Luftmenge (in Abhängigkeit von dem gewünschten Verhältnis Sauerstoff zu Kohlenstoff) durch das Probenwirbelbett 31 geströmt ist. Während des Tests, werden die Bett-Kühlschlangen 33 verwendet, um die Temperaturen des Probenwirbelbetts 31 (gemessen durch die Thermoelemente 38 und 39) in dem gewünschten Bereich zu halten. Das Kühlwasser wird den Bett-Kühlschlangen 33 über das Ventil 43 und das Rohr 43 zugeführt. Das erwärmte Kühlwasser wird durch das Rohr 42 abgegeben.
Nachdem die korrekte Luftmenge durch das Probenwirbelbett 31 gelangt ist, wird das Luftventil 12 geschlossen, das Argonventil 16 geöffnet, die LPG-Brenner 1 und 2 werden abgeschaltet, eine Stahlplatte (nicht dargestellt) wird verwendet, um den Wirbelbettausgang 40 abzudecken und das Kühlwasserventil 44 wird vollständig geöffnet. Nachdem die Testeinheiten vollständig abgekühlt sind, werden die Bett-Kühlschlangen 33 aus dem Wirbelbettkasten 29 entfernt. Das Verbindungsstück 35 wird abgetrennt und der gesamte Wirbelbettkasten 29 aus dem isolierten Stahlkasten 28 zur Rückgewinnung des restlichen Probenwirbelbetts 31 und zur Inspektion entfernt. Anfängliche und abschließende Proben aus dem Probenwirbelbett 31, sowie alle Proben, die während des Tests aus dem Bett entnommen wurden, werden einem Laboratorium zur Analyse des Kohlenstoffgehalts übermittelt.

Beispiele 1 bis 6 (Läufe 1 bis 6)

Unter Verwendung des Wirbelbett-Kohlenstoffausbrenn-Testmoduls, der vorher beschrieben und in Fig. 2 dargestellt ist, wurden die Testläufe 1 bis 6, wie sie in der Tabelle I zusammengefasst sind, durchgeführt. Der LOI-Test(Loss ON Ignition - Zündverlust) ist ein Test ASTM C 311. Tabelle 1 Zusammenfassung des Wirbelbett-Ausbrenn-Tests

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

1. Die LOI-Verringerungen in den sechs Läufen (Tests) reichten von 49,6% bis 87,3%. Im allgemeinen waren die LOI-Verringerungen während der späteren Tests besser, als die Fluidisierungs- und Verklumpungsprobleme (siehe nachfolgend) gelöst waren.
Vier der sechs Tests wurden mit Flugasche mit einem LOI von ungefähr 6% durchgeführt. Die anderen beiden Tests wurden unter Verwendung von Flugasche mit einem LOI von ungefähr 12% durchgeführt. Beide Tests mit Flugasche höheren Kohlenstoffgehalts ergaben schlechtere Verringerungen im LOI als die anderen Tests.
Während des ersten Teils jedes Tests war die Verringerung des LOI im Wesentlichen über die Zeit linear. Das zeigt, dass sie Ausbrennrate durch die Sauerstoffeinführungsrate in das Wirbelbett begrenzt war. Gegen Ende einiger Tests, als der Restkohlenstoffgehalt sehr gering wurde, fiel die Ausbrennrate wesentlich ab. Das kann darauf hinweisen, dass das Ausbrennen des letzten Kohlenstoffs schwieriger ist, als das Ausbrennen des restlichen.
2. Der Verlust von Material aus dem Wirbelbett war nicht übermäßig. Der Bettverlust variierte von 23,9% bis 78,4%, wobei die höheren Werte längeren Lufteinführungszeiten zuzuschreiben sind. Für den Serien-Modul ist die Lufteinführungszeit gleich der Verweilzeit. Daher gehen die vorteilhaften langen Verweilzeiten und die damit verbundenen hohen Kohlenstoff-Ausbrennungen auf Kosten erhöhter Bettverluste.
Der Verlust von Material aus dem Bett war für einen vorgegebenen Luftstrom ziemlich konstant. Das bedeutet, das Massenverhältnis des an den Luftstrom verlorenen Materials hat sich von Test zu Test nicht wesentlich verändert. Gleichermaßen verändert sich auch das Verhältnis der Masse des Bettmaterials, das an das zugeführte Luftvolumen verloren wurde, nicht wesentlich.
3. Es wurde ermittelt, dass die Fluidisierung in dem Bett stark von der Betttiefe abhängig war. Die Fluidisierung war bei einer Betttiefe von 15,24 cm (6 Inch) sehr schlecht. Sie verbesserte sich drastisch bei 30,48 cm (12 Inch). Eine vollständige Fluidisierung wurde bei 60,96 cm (24 Inch) Betttiefe erricht.
Die Betttiefe ist eng mit der Verweilzeit verbunden. Für die Testausführung mit einer Bettdicke von 60,96 cm (24 Inch) und einer Bettgeschwindigkeit von 30,48 cm pro Sekunde (ein Fuß pro Sekunde) ergab sich eine Verweilzeit von 40 Minuten für Flugasche mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und von 80 Minuten für Flugasche mit hohem Kohlenstoffgehalt. Lange Verweilzeiten sind für das Ausbrennen des Kohlenstoffs gut und beeinträchtigen nicht den Einheitsdurchsatz (der Einheitsdurchsatz für das Wirbelbett-Kohlenstoffausbrenn-Konzept wird ausschließlich durch die Bettfläche und die Bettgeschwindigkeit bestimmt). Längere Rückhaltezeiten sind jedoch mit höheren Gesamtbettverlusten verbunden.
4. Das Binden von Flugasche zu gesinterten Klumpen hat sich als ein Problem herausgestellt (insbesondere bei früheren Tests). Nachdem Veränderungen durchgeführt wurden, um die vollständige Fluidisierung zu sichern und um die Temperatur zu steuern, wurden diese Probleme drastisch verringert. Die letzten wenigen Tests ergaben, dass 1 bis 10% der rückgewonnen Probe (0,5 bis 5% der Gesamtzuführung) als sehr weich gesinterte Klumpen zurückgewonnen wurden. Trotzdem sind wahrscheinlich das Bemessen des Produkts und ein "Klumpenbrecher" für eine kommerzielle Anlage erforderlich.
5. Das Kühlen des Betts unter Verwendung wassergekühlter Rohrschlangen funktioniert bei der Steuerung der Betttemperatur gut. Ohne Kühlung ließ der Kohlenstoffausbrand die Betttemperatur übermäßig ansteigen (die Spitzentemperatur betrug im Lauf 2 mehr als 1260ºC (2300ºF)). Die Kühlung ist für den erfolgreichen Betrieb einer kommerziellen Anlage erforderlich, Während der Tests war die Zieltemperatur 760ºC (1400ºF). Das Optimieren der Zieltemperatur hängt von den gewünschten Ergebnissen ab. Niedrigere Temperaturen begünstigen billigere Baumaterialien, niedrigere NO-Werte, und (zu einem geringen Grade) höhere Durchsätze. Höhere Temperaturen begünstigen einen größeren Kohlenstoff-Ausbrand und billigere (kleinere) Wärmeübertragungsflächen.
Es ist zu bemerken, dass die aus dem Wirbelbett entfernte Wärme durch Verwendung einer geeigneten Wärmeübertragungsfläche bei einer höheren Temperatur in der Größenordnung von 538ºC (1000ºF) zurückgewonnen werden kann. Das sollte die rückgewonnene Wärme für die Wiederverwendung in der Kraftwerksanlage oder für den Verkauf an außenstehende Nutzer wertvoll machen.
6. Die Zündung wurde ohne Vorwärmen der Reaktionsluft durchgeführt. Das scheint darauf hinzuweisen, dass die Zündung hauptsächlich von der Betttemperatur abhängig ist. Es scheint so, dass die Zündung zu jeder Zeit leicht bei jeder Betttemperatur über 704,4ºC (1300ºF) erfolgt.
Selbst wenn erwärmte Reaktionsluft als nicht erforderlich befunden wurde, wird sie wahrscheinlich in einer kommerziellen Anlage zugeführt. Das ist deswegen so, weil das Erwärmen der Reaktionsluft ein bequemer Weg ist, um einige Niedrigtemperaturwärme zurückzugewinnen, die ansonsten verloren gehen würde.

Claims

1. Verfahren zum Verringern des Kohlenstoffgehaltes feiner Teilchen Kohlenstoff enthaltender Flugasche aus einem Kohlekraftwerk zur Herstellung von Puzzolan, welches umfaßt:

a) Einbringen der feinen, Kohlenstoff enthaltenden Flugascheteilchen, in ein trockenes Blasen-Wirbelbett, welches im wesentlichen aus den Teilchen besteht, und

b) Oxidieren des Kohlenstoffes in den Flugascheteilchen, indem die Teilchen in dem Bett bei einer Temperatur zwischen ungefähr 700ºC und ungefähr 800ºC innig mit Luft vermischt werden,

indem Umgebungsluft bei einem Volumenverhältnis von zwischen ungefähr 1000 bis ungefähr 1500 Luft zu Flugasche bei einer Geschwindigkeit von zwischen mindestens ungefähr 0,1524 m/s aber weniger als ungefähr 0,9144 m/s in das Bett eingebracht wird,

und wobei die Teilchen in dem Bett eine Verweilzeit von mindestens ungefähr 2 Minuten aber bis zu ungefähr 100 Minuten haben,

c) dann Entfernen der Flugascheteilchen aus dem Bett,

wobei der Kohlenstoffgehalt der Teilchen durch die Oxidation verringert worden ist, so daß die entfernten Flugascheteilchen verbessertes Puzzolan sind, das ohne weitere Verarbeitung zur Verwendung geeignet ist, um einen Teil des Zementes in Beton zu ersetzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oxidation bei einem Überschuß von zwischen ungefähr 5 und ungefähr 15% Sauerstoff stattfindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei überschüssige Wärme aus dem Bett zurückgewonnen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Geschwindigkeit zwischen ungefähr 0,3048 m/s und ungefähr 0,381 m/s beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Volumenverhältnis von Luft zu Flugasche zwischen ungefähr 1200 und ungefähr 1300 beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verweilzeit zwischen ungefähr 10 und ungefähr 80 Minuten beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verweilzeit zwischen ungefähr 30 und ungefähr 50 Minuten beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Teilchen in dem Wirbelbett eine durchschnittliche Teilchengröße von ungefähr 100 um oder weniger haben.

9. Aufbereitetes Puzzolan zur Verwendung als ein unmittelbarer Ersatz eines Teils von Portlandzement in zementartigen oder zementhaltigen Gemischen, das in dem Oxidationsverfahren mit trockenem Blasen-Wirbelbett nach Anspruch 1 konditionierte Flugasche umfaßt, und das weniger als 4% Kohlenstoff und eine solche Größe aufweist, daß mindestens 66% davon durch Naßanalyse ein Sieb der Maschenweite 325 passiert.