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Verfahren zum Verbrennen kohlenstoffhaltiger Materialien und zur Gewinnung
der Verbrennungswärme Es ist bekannt, feinteilige feste Stoffe mit Gasen in der
Weise zu behandeln, daß man die Gase von unten in eine Schicht der feinteiligen
Stoffe unter einem Druck einführt, der ausreicht, um die festen Teilchen in eine
turbulente Bewegung zu versetzen. die der Schicht das Aussehen einer kochenden Flüssigkeit
verleiht. Das Verfahren kann angewendet werden, um. Wärm-eaustau.schvorgänge zwischen
Gasen und, festen Stoffen ,.u erzielen, um feste Stoffe mit Hilfe heißer Gase zu
trocknen oder zu glühen oder um chemische Umsetzungen von Gasen mit festen Stoffen
und an festen Stoffen zu bewirken. Dieses als WirbelSChichtverfahren be zeichnete
Arbeitsprinzip ist erstmals in der Technik durch die sogenannten Winkler-Generatoren
nutzbar gemacht worden, in denen durch Vergasung kohlenstoffhaltiger Materialien
Synthesegase für die chemische Industrie erzeugt werden.
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Gemäß einem speziellen Vorschlag zur Durchführung eines solchen Vergasungsprozesses
wird Material mit geringem Kohlenstoffgehalt in einer Wirbelschichtkammer in Gegenwart
inerter Substanzen oder einverleibt in diese (Kohleaschen) zu Kohlendioxyd verbrannt
und der hierdurch erhitzte inerte Anteil in einen Wassergasgenerator übergeführt,
um dort einer grobstückigen,. nicht in wirbelnder Bewegung befindlichen Kohle Wärme
zwecks Durchführung der endothermen Wassergasbildung .zuzuführen. Eine Ausnutzung
der Verbrennungswärme durch unmittelbare Abführung
dieser Wärme
aus der -Verbrennungszone findet hierbei nicht statt. Auch bei einer anderen bekannten
Ausführungsform der Vergasung von Kohle zwecks Gewinnung eines Kohlenoxyd und Wasserstoff
enthaltenden Mischgases wird die Wärme nicht aus der Reaktionszone selbst entnommen
(dies wurde wegen Korrosionsgefahr als nicht durchführbar angesehen), sondern die
Wärme der Gase und der Feststoffe wird in einer nachgeschalteten Wirbelschicht auf
Dampferzeugungsrohre übertragen.
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Es wurde nun gefunden, daß das Wirbelschichtverfahren auch sehr gut
geeignet ist, um kohlenstoffhaltige Materialien, insbesondere solche mit hohem Aschegehalt,
mit Luft, auch solcher mit angereichertem Sauerstoffgehalt, oder anderen sauerstoffhaltigen
Gasen zu verbrennen und die Verbrennungswärme zu gewinnen. Erfindungsgemäß führt
man die kohlenstoffhaltigen Materialien in feinteiligem Zustand kontinuierlich in
eine auf Verbrennungstemperatur befindliche Schicht aus unverbrennbaren Feststoffteilchen,
vorzugsweise den aus den kohlenstoffhaltigen Materialien selbst stammenden Ascheteilchen,
ein, wobei diese Teilchen durch die von unten eingeführte Verbrennungsluft unter
Ausbildung einer begrenzten Wirbelschicht hoher Raumdichte in turbulenter Bewegung
gehalten werden, zieht die Asche nach Maßgabe ihrer Anreicherung aus der Schicht
ab und entzieht die zur Aufrechterhaltung der Verbrennungstemperatur nicht erforderliche
Wärme der Wirbelschicht mit Hilfe von in der Wirbelschicht angeordneten, wärmeaufnehmenden
Organen, um die Wärme dann nutzbar zu machen.
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Eine derartige Wirbelschichtfeuerung ist von den bekannten Kohlenstaubfeuerungen
wesentlich verschieden. Bei diesen Feuerungen wird bis zur Staubfeinheit zerkleinerte
Kohle mit der Verbrennungsluft in Kammern eingeblasen und dort verbrannt. Dabei
bildet sich keine Wirbelschicht aus, innerhalb deren wärmeabführende Organe angeordnet
werden könnten. Bei diesen bekannten Verfahren strebt man die Erreichung sehr hoher
Verbrennungstemperaturen an, um eine starke Wärmeeinstrahlung auf die Dampferzeugungsorgane
zu erzielen. Das Verfahren gemäß der Erfindung hat auch nichts zu tun mit den sogenannten
Wirbelschmelzbrennern, bei denen der Kohlenstaub wirbelförmig eingeblasen wird und
die Kohlenasche zum Schmelzen gebracht wird, um sie flüssig abziehen zu können.
Die dabei herrschenden hohen Temperaturen und der Angriff der schmelzflüssigen Schlacke
auf die Auskleidung der Verbrennungskammer verursachen einen hohen Verschleiß. Ferner
läßt bei diesem Verfahren die kurze Verweilzeit des Brennstoffs im Verbrennungsraum,
insbesondere bei Verarbeitung aschereicher Brennstoffe, weder eine restlose Ausnutzung
der brennbaren Anteile noch eine nahezu völlige Ausnutzung des Sauerstoffs der Verbrennungsluft
zu.
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Diese Nachteile werden durch die Wirbelschichtfeuerung gemäß der Erfindung
vermieden. Bei dieser Art der Verbrennung gelingt es, trotz der kurzen Berührungszeit
zwischen der Verbrennungsluft und den Teilchen der Wirbelschicht in der Größenordnung
von etwa i Sekunde, den Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft nahezu völlig unter
Bildung von Kohlendioxyd und Wasserdampf als Verbrennungsprodukte auszunutzen. Es
entsteht also praktisch kein Kohlenoxyd, und es wird eine nahezu restlose Ausnutzung
des verbrennbaren Anteils der Brennstoffe bei mittleren Verweilzeiten in der Wirbelschicht
von etwa i bis 2 Stunden erzielt. Während bei bekannten Kesselfeuerungen ein Überschuß
an Verbrennungsluft, und zwar etwa das i,3fache der theoretisch erforderlichen Menge,
benötigt wird, um eine unvollständige Verbrennung unter Bildung von Kohlenoxyd zu
vermeiden; genügt bei dem vorliegenden Verfahren eine Luftmenge, die die theoretisch
erforderliche Menge nur wenig übersteigt. Man kann einen Teil der insgesamt erforderlichen
Verbrennungsluft in den oberen Teil der Wirbelschicht und/oder in den Raüm oberhalb
der Wirbelschicht einführen.
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Die vorzüglichen Wärmeübergangsverhältnisse in der Wirbelschicht ermöglichen
ein Arbeiten bei verhältnismäßig niedrigen Verbrennungstemperaturen, etwa zwischen
8oo und iioo°, wie sie sonst bei Kesselfeuerungen nicht üblich sind. Diese tiefen
Temperaturen begünstigen die Bildung von Kohlendioxyd entsprechend den bekannten
thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten des Verhältnisses C 02 zu C O in wasserdampfhaltigen
Verbrennungsgasen. Infolge der niedrigen Temperaturen wird ferner eine Erweichung
der Asche in der Wirbelschicht und des mit den Verbrennungsgasen aus der Schicht
mitgenommenen Flugstaubes vermieden. Ein Ankleben erweichter Feststoffteile an den
wärmeabführenden Organen und damit eine Beeinträchtigung des Wärmeübergangs tritt
nicht ein. Es ist sogar möglich, zum Backen neigende Kohlen in einer überwiegend
aus Ascheteilchen oder anderen nicht erweichenden und nicht brennbaren Feststoffteilchen
gebildeten Wirbelschicht zu verarbeiten.
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Das Verfahren ist für beliebige feste kohlenstoffhaltige Brennstoffe,
wie insbesondere aschereiche Steinkohle, Braunkohle, Torf, Ölschiefer oder deren
Verkokungsprodukte, anwendbar. Die Korngrößen, in denen die Brennstoffe in die Schicht
eingeführt werden, können innerhalb eines breiten Bereiches gewählt werden. Im allgemeinen
sollen sie unter 20 mm, vorzugsweise unter io mm, liegen.
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Im übrigen bedient man sich zur Durchführung des Verfahrens der in
der Wirbelschichttechnik üblichen Maßnahmen. Beispielsweise kann man zur Aufrechterhaltung
der gewünschten Höhe der Wirbelschicht, die zwischen Zoo mm und iooo mm. bezogen
auf den Ruhezustand der Schicht, gewählt wird, in bekannter Weise Überlaufrohre
anwenden, durch welche die in der Schicht angereicherte Schlacke dauernd oder zeitweilig
abgezogen wird. Als Unterlage der Wirbelschicht kann ein Rost oder eine Lage aus
unverbrennbarem Schüttgut dienen. Entsprechend den niederen Schichthöhen
und
der kleinen Wichte der Aschen ist der für das Einblasen der Verbrennungsluft erforderliche
Vordruck nur gering.
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Bei Verwendung aschearmer oder sehr feinpulverige Rückstände ergebender
Brennstoffe ist es zweckmäßig, eine ausreichende Höhe der Wirbelschicht durch kontinuierliche
oder periodische Einführung feinstückiger unverbrennbarer und bei der Verbrennungstemperatur
nicht erweichender Feststoffe, wie Schamottekörner, Abbrände von Schwefelkies od.
dgl., aufrechtzuerhalten. Hierbei werden Stoffe, die ebenso wie die Brennstoffaschen
Eisenoxyde enthalten, bevorzugt, -da solche Stoffe den Verbrennungsvorgang katalytisch
beschleunigen.
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Zur Abführung der Verbrennungswärme aus der Wirbelschicht lassen sich
beispielsweise Register aus parallel angeordneten Rohren oder Fieldrohre, in denen
vorzugsweise unter Druck siedendes Wasser umläuft, verwenden, wobei in den Kreislauf
des Wärmeträgers Vorrichtungen zur Abtrennung des Dampfes eingeschaltet werden.
Die Wärmeaustauschflächen dieser Vorrichtungen sind den außerordentlich hohen Wärmedurchgangszahlen,
etwa Zoo kcal/m2/h/oC und mehr, anzupassen, wie sie unter den Arbeitsbedingungen
in der Wirbelschicht auftreten. Es ergeben sich außerordentlich günstige Werte für
den Wärmefluß von 120 000 bis 16o ooo kcal/m2/h, obwohl das Temperaturgefälle von
etwa 60o bis 80o°, verglichen mit den sonstigen Bedingungen im Dampfkesselbetrieb,
verhältnismäßig niedrig ist. Dies bedeutet eine wesentliche Verkleinerung der erforderlichen
Austauschflächen gegenüber den bekannten Verfahren. An Stelle von unter Druck bis
etwa i50 atü siedendem Wasser lassen sich auch andere verdampfbare Flüssigkeiten,
z. B. Quecksilber, verwenden.
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ebenso können bei dem Verfahren gemäß der Erfindung auch nicht siedende
Wärmeträger Anwendung finden, wie z. B. Metall- oder Salzschmelzen, Wasser unter
höheren Drücken oder mit solcher Strömungsgeschwindigkeit, daß die Siedetemperatur
nichterreicht wird. Diese Wärmeträger können ihre fühlbare Wärme an beliebige Verbrauchsstellen
abgeben, z. B. auch zur Heizung einer Dampferzeugungsanlage außerhalb des Wirbelst-hichtsystems
benutzt werden.
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Gasförmige Wärmeträger werden zweckmäßig ebenfalls unter Überdruck,
z. B. bei ,4 bis 2o atü, verwendet. Sie können in an sich bekannter Weise auch zur
Arbeitsleistung in Heißgasturbinen nutzbar gemacht werden. Die fühlbare Wärme des
in der Gasturbine entspannten gasförmigen Wärmeträgers kann für die Vorwärmung der
Verbrennungsluft und/oder für die Trocknung der zu verarbeitenden feuchten Brennstoffe
ausgenutzt werden.
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D:e Verbrennungsgase verlassen den Wirbelschichtofen mit Temperaturen,
die innerhalb des genannten Bereichs von 80o bis 1 ioow liegen.. Der Wärmeinhalt
dieser Gase kann in Wärmeaustauschern, z. B. zur Erzeugung oder Überhitzung von
Dampf und anschließend zur Vorwärmung von Speisewasser und Verbrennungsluft, ausgenutzt
werden, wobei die Gase vorzugsweise auf Tempexaturen von etwa 200" und darunter
abgekühlt werden.. Diese noch warmen. Gase lassen sich auch für die Vortrorknung
der zu verarbeitenden Brennstoffe verwenden. Diese Vortrocknung kann ebenfalls nach
dem Wirbelschichtverfahren durchgeführt werden, indem die Gase bei Temperaturen
unterhalb des Zündpunktes von unten durch eine wirbelnde Schicht der Brennstoffteilchen
hindurchgeführt werden, der man -kontinuierlich oder periodisch das feuchte Gut
zuführt und getrocknetes Gut entnimmt.
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Die Vortrocknung der Brennstoffe ist für die Durchführung des Verfahrens
gemäß der Erfindung keineswegs erforderlich, doch wird durch sie die Ausbeute an
gespanntem Dampf erhöht.
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Insbesondere bei aschereichen Kohlen kann auch die fühlbare Wärme
von Asche und Flugstaub, z. B. zum Vorwärmen der Verbrennungsluft, ausgenutzt werden.
Beispiel In eine Schicht, die aus praktisch kohlenstofffreier Asche in Korngrößen
bis io mm besteht, eine Temperatur von 85o bis 90o° aufweist und ixt der die festen
Teilchen durch einen von unten durch einen Rost eintretenden Luftstrom in turbulenter
Bewegung gehalten werden, trägt man kontinuierlich Steinkohle mit einem Aschegehalt
von etwa 40'/o in Korngrößen bis io mm ein. Je m2 Rostfläche «erden in der Stunde
80o kg Kohle und 5ooo m3 Luft zugeführt. Die Wirbelschicht wird mit in der Schicht
angeordneten, von unter Druck siedendem Wasser durchströmten Kühlvorrichtungen so
weit gekühlt, daß sich die Temperatur in der Wirbelschicht auf 85o bis 90o° hält.
Die Höhe der Wirbelschicht im Ruhezustand beträgt 70o bis 80o mm; sie wird entsprechend
der Kohlezufuhr durch kontinuierliche Austragung der Asche aus der Schicht konstant
gehalten.
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Die aus der Schicht mit einer Temperatur von 85o bis 90o° austretenden
Verbrennungsgase haben einen Kohlendioxydgehalt von 18 % und einen Sauerstoffgehalt
ton o,6 °/o; sie enthalten kein Kohlenoxyd. Die Gase werden zur Ausnutzung ihrer
Wärme einem mit Vorrichtungen zur Dampferzeugung, Dampfüberhitzung und zur Vörwärmung
von Speisewasser und Verbrennungsluft ausgerüsteten Dampfkessel zugeführt. Dort
schlagen sich die von ihnen mitgeführten Aschebestandteile in Form eines rieselfähigen,
grießigen Pulvers nieder. Der Flugstaub ist körnig und läßt sich leicht aus den
Gasen ausscheiden. - Die aus der Wirbelschicht ausgetragene Asche enthält 0,o5 %
Kohlenstoff, der Flugstaub 2,9 % Kohlenstoff.
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Bei einem unteren Heizwert der Kohle von 4500 kcal/kg wird bei einer
stündlichen Verarbeitung von 80o kg stündlich eine Wärmemenge von 3 60o ooo kcal
frei. Sie ermöglicht die stündliche Erzeugung von 400o kg Dampf von 45 atü Druck
und 400° Überhitzungstemperatur. Diese Dampfmenge entspricht einer nutzbar gemachten
Wärmemenge
von stündlich 3 o75 ooo kcal und einem Ausnutzungsgrad
von 85,5 0/0, wobei sich die Wärmeausnutzung auf . die einzelnen Stufen des Dampferzeugungssystems
wie folgt. verteilt:
| Wirbelschicht ................... 67,6% |
| 1=Tberhitzerteil des Dampfkessels . . . 14,1 a/o |
| Verdampferteil des Dampfkessels . . 12,7 0/0 |
| Speisewasservorwärmer .......... 5,6% |
| I00,0 % |
von insgesamt 85,5 0/0, wobei 5,7 % der nutzbaren Wärme vom Vorwärmer für die Verbrennungsluft
in das System zurückgeführt werden.