EP0497418B1 - Verfahren zum Verbrennen von Kohle in der zirkulierenden Wirbelschicht - Google Patents

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EP0497418B1
EP0497418B1 EP92200214A EP92200214A EP0497418B1 EP 0497418 B1 EP0497418 B1 EP 0497418B1 EP 92200214 A EP92200214 A EP 92200214A EP 92200214 A EP92200214 A EP 92200214A EP 0497418 B1 EP0497418 B1 EP 0497418B1
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Georg Dr. Schaub
Gebhard Dr. Bandel
Rainer Dr. Reimert
Hans Beisswenger
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    • F23C10/04—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed the particles being circulated to a section, e.g. a heat-exchange section or a return duct, at least partially shielded from the combustion zone, before being reintroduced into the combustion zone
    • F23C10/08—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed the particles being circulated to a section, e.g. a heat-exchange section or a return duct, at least partially shielded from the combustion zone, before being reintroduced into the combustion zone characterised by the arrangement of separation apparatus, e.g. cyclones, for separating particles from the flue gases
    • F23C10/10—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed the particles being circulated to a section, e.g. a heat-exchange section or a return duct, at least partially shielded from the combustion zone, before being reintroduced into the combustion zone characterised by the arrangement of separation apparatus, e.g. cyclones, for separating particles from the flue gases the separation apparatus being located outside the combustion chamber
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    • F23C2206/10—Circulating fluidised bed
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23J2215/00—Preventing emissions
    • F23J2215/10—Nitrogen; Compounds thereof
    • F23J2215/101—Nitrous oxide (N2O)

Definitions

  • the invention relates to a method for burning granular coal in the circulating fluidized bed, which has a combustion chamber, a separator for separating combustion gas and solids and a return line for returning solids from the separator to the combustion chamber, wherein granular coal and air in the lower region of the Combustion chamber initiates, withdraws combustion gas containing solids and oxygen from the combustion chamber and leads into the separator and supplies combustion gas from the separator for cooling.
  • Solid fuel combustion in the circulating fluidized bed to e.g. Generating water vapor is known and is described in European patent 0 046 406, in DE-OS 38 00 863 and in the corresponding US patent 4,884,408. From DE-A-2 736 493 it is known to smolder coal, to burn the coke produced and to mix and afterburn the combustion gas with the smoldering gas.
  • the invention has for its object to keep the content of N 2 0 in the combustion gas that enters the atmosphere as low as possible in the above-mentioned method. According to the invention, this is done by introducing carbonization gas containing combustible constituents into the oxygen-containing combustion gas, at least partially burning the carbonization gas in the combustion gas and thereby increasing the temperature of the combustion gas to 900 to 1200 ° C. and producing the carbonization gas by granular coal in a mixing zone and mixes hot solids from the separator, smoldering the coal.
  • the coal used for the smoldering is advantageously the same coal that is also burned in the combustion chamber.
  • the combustion gas with the elevated temperature in the range of 900 to 1200 ° C not only has a very low N 2 0 content of at most about 50 ppm, it also increases the efficiency in the subsequent generation of water vapor in the cooling.
  • the carbonization gas is expediently added to the combustion gas in the upper region of the combustion chamber or outside the combustion chamber, e.g. in the downstream lines, added.
  • the carbonization gas from the distillation of the coal mainly contains carbon monoxide, hydrogen and methane as combustible components.
  • the solid residue formed during smoldering, which is primarily coke, can be at least partially added to the combustion chamber and burned there. In this way, the carbonization gas can be produced without great effort.
  • Another possibility of obtaining a carbonization gas containing combustible constituents is to partially use the gas mixture formed in the lower region of the combustion chamber as carbonization gas.
  • the gas mixture formed in the lower region of the combustion chamber there are reducing conditions at temperatures of about 600 to 850 ° C., so that the granular coal is mainly smelted there, as a result of which the gas mixture contains CO and CH 4 , among other things. There is no additional smoldering equipment.
  • PCT patent application WO 88/05494 describes the combustion of coal in a fluidized bed furnace, the exhaust gases being passed into a steam generator.
  • the steam generator is additionally supplied with coal dust and air and the mixture is burned at around 1000 to 1200 C.
  • the aim of this combustion in the steam generator is to eliminate toxic substances, in particular dioxins, in the flue gas, the high temperatures also necessarily leading to the N content 2 0 is reduced.
  • this known method is very complex in terms of apparatus, so that it is not or only rarely possible in practice.
  • no complex combustion zone is used in the process according to the invention, and in general the excess of oxygen present in the combustion gas is sufficient to achieve the desired afterburning by adding carbonization gas.
  • the plant which works on the principle of the circulating fluidized bed, includes a cyclone as a separator, which is connected to the upper region of the combustion chamber by a duct, and a solids return line.
  • the resulting heat can be used for steam generation, for example, which is not taken into account in the drawing.
  • the gas leaving the cyclone flows in the line to a cooling device and arrives in the line, for example, to a dedusting device, not shown, before it is passed into the atmosphere.
  • the known system parts also include a swirl chamber (9), to which fine-grained solids are fed from the cyclone (6) through the line (8a).
  • the solids in the chamber (9) are whirled up by fluidizing air from the line (11), and part of the heat is removed in the indirect heat exchanger (12).
  • the solids treated in this way are then at least partially returned to the combustion chamber (1) through line (13); an excess of solids can be removed from the process in line (14).
  • the carbonization gas is produced by mixing the hot solid residue from the line (8a) in the swirl chamber (9) with granular coal from the line (20), whereby the coal at a mixing temperature in the range of about 300 to 800 ° C is swelled.
  • the fluidizing air from line (11) supports the mixing of the solids.
  • Indirect cooling (12) can be dispensed with in whole or in part.
  • the carbonization gas generated, which contains combustible constituents and possibly the fluidizing gas from line (11), is drawn off in line (21).
  • this carbonization gas can be distributed into the channel (7) or it can be added through line (22) to the combustion gas of line (5) in order to achieve the afterburning there.
  • the oxygen in the combustion gas is sufficient for the desired afterburning.
  • the combustion gas that leaves the cyclone (6) in line (5) therefore has a minimal N 2 O content of at most about 50 ppm.
  • a carbonization line (25) is used, which starts near the mouth of the solids return line (8b) in the combustion chamber (1) and supplies carbonization gases to the combustion gas in the line (5).
  • the inside diameter of the line (25) is selected in such a way that only a relatively small part of the gases present in the lower region of the combustion chamber is discharged through the line (25).
  • a control valve (not shown) is usually unnecessary.
  • the solid line (8) leads from the cyclone (6) to a siphon (24) known per se, to which vortex and transport air is fed through line (27).
  • a solid bed can be formed in the line (8) through the siphon (24) and serves as a pressure barrier between the combustion chamber (1) and the cyclone (6).
  • the solids enter the combustion chamber through line (8b).
  • the carbonization gas is generated in the siphon (24), to which vortex and transport air is fed through line (27).
  • Granular coal is added through line (28), which forms carbonization gas from line (8) when heated by mixing with the hot solid residue.
  • This smoldering gas can be distributed into the channel (7) for afterburning according to FIG. 1 or added to the combustion gas of line (5) through lines (21) and (22).
  • the combustion gas in line (7) has a 0 2 content of 5.6%.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen körniger Kohle in der zirkulierenden Wirbelschicht, die eine Brennkammer, einen Abscheider zum Trennen von Verbrennungsgas und Feststoffen und eine Rückführleitung zum Rückführen von Feststoffen vom Abscheider zur Brennkammer aufweist, wobei man körnige Kohle und Luft in den unteren Bereich der Brennkammer einleitet, Feststoffe und Sauerstoff enthaltendes Verbrennungsgas aus der Brennkammer abzieht und in den Abscheider leitet und Verbrennungsgas aus dem Abscheider einer Kühlung zuführt.
  • Die Verbrennung fester Brennstoffe in der zirkulierenden Wirbelschicht, um z.B. Wasserdampf zu erzeugen, ist bekannt und im Europa-Patent 0 046 406, in der DE-OS 38 00 863 und im dazu korrespondierenden US-Patent 4 884 408 beschrieben. Aus DE-A-2 736 493 ist es bekannt, Kohle zu schwelen, den erzeugten Koks zu verbrennen und das Verbrennungsgas mit dem Schwelgas zu mischen und nachzuverbrennen.
  • Man hat festgestellt, daß man bei der Verbrennung von Kohle oder auch Braunkohle ein Verbrennungsgas (Rauchgas) erhält, das einen hohen Gehalt an dem Stickstoffoxid N20 aufweist. Dieses N20 verstärkt den Treibhauseffekt in der Atmosphäre und trägt zum Ozonabbau bei. Bei etwa 850 bis 11000 C zerfällt das N20.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim eingangs genannten Verfahren den Gehalt an N20 im Verbrennungsgas, das in die Atmosphäre gelangt, so niedrig wie möglich zu halten. Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß man in das sauerstoffhaltige Verbrennungsgas brennbare Bestandteile enthaltendes Schwelgas einleitet, das Schwelgas mindestens teilweise im Verbrennungsgas verbrennt und dabei die Temperatur des Verbrennungsgases auf 900 bis 1200 C erhöht und man erzeugt das Schwelgas dadurch, daß man in einer Mischzone körnige Kohle und heiße Feststoffe aus dem Abscheider mischt, wobei man die Kohle schwelt. Vorteilhafterweise verwendet man als Kohle für die Schwelung die gleiche Kohle, die man auch in der Brennkammer verbrennt. Das Verbrennungsgas mit der erhöhten Temperatur im Bereich von 900 bis 1200 ° C weist nicht nur einen sehr niedrigen N20-Gehalt von höchstens etwa 50 ppm auf, man erhöht auch den Wirkungsgrad bei der anschließenden Erzeugung von Wasserdampf in der Kühlung.
  • Zweckmäßigerweise wird das Schwelgas dem Verbrennungsgas im oberen Bereich der Brennkammer oder außerhalb der Brennkammer, z.B. in den nachgeschalteten Leitungen, zugegeben. Das Schwelgas aus der Destillation der Kohle weist als brennbare Bestandteile vor allem Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Methan auf. Der beim Schwelen gebildete Feststoffrückstand, bei dem es sich vor allem um Koks handelt, kann mindestens zum Teil in die Brennkammer gegeben und dort verbrannt werden. Auf diese Weise läßt sich das Schwelgas ohne großen Aufwand herstellen.
  • Eine weitere Möglichkeit der Gewinnung eines brennbare Bestandteile enthaltenden Schwelgases besteht darin, das im unteren Bereich der Brennkammer gebildete Gasgemisch teilweise als Schwelgas zu verwenden. In diesem Bereich der Brennkammer herrschen bei Temperaturen von etwa 600 bis 850 ° C reduzierende Bedingungen, so daß die körnige Kohle dort hauptsächlich geschwelt wird, wodurch das Gasgemisch u.a. CO und CH4 enthält. Eine zusätzliche Schwelapparatur entfällt hierbei.
  • In der PCT-Patentanmeldung WO 88/05494 wird die Verbrennung von Kohle in einer Wirbelschichtfeuerung beschrieben, wobei man die abziehenden Rauchgase in einen Dampferzeuger leitet. Dem Dampferzeuger führt man zusätzlich Kohlenstaub und Luft zu und verbrennt das Gemisch bei etwa 1000 bis 1200 C. Ziel dieser Verbrennung im Dampferzeuger ist es, toxische Substanzen, insbesondere Dioxine, im Rauchgas zu beseitigen, wobei durch die hohen Temperaturen zwangsläufig auch der Gehalt an N20 vermindert wird. Dieses bekannte Verfahren ist jedoch apparativ sehr aufwendig, so daß es für die Praxis nicht oder nur in seltenen Fällen in Frage kommt. Demgegenüber benutzt man beim erfindungsgemäßen Verfahren keine aufwendige Verbrennungszone, auch genügt im allgemeinen der im Verbrennungsgas vorhandene Sauerstoffüberschuß, um die gewünschte Nachverbrennung durch Zugabe von Schwelgas zu erreichen.
  • Ausgestaltungsmöglichkeiten des Verfahrens werden mit Hilfe der Zeichnung erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Anlage zur Verbrennung von Kohle in der zirkulierenden Wirbelschicht,
    • Fig. 2 eine zweite Version der Mischzone zur Schwelung der Kohle,
    • Fig. 3 + 4 weitere Ausführungsformen der Verbrennungsanlage.
  • In der Brennkammer der Fig. 1 wird körnige Kohle, die in der Leitung herangeführt wird, zusammen mit Luft aus den Leitungen und im Wirbelzustand verbrannt. Zu der nach dem Prinzip der zirkulierenden Wirbelschicht arbeitenden Anlage gehört als Abscheider ein Zyklon, der mit dem oberen Bereich der Brennkammer durch einen Kanal verbunden ist, und eine Feststoff-Rückführleitung. Die entstehende Wärme kann z.B. zur Dampferzeugung genutzt werden, was in der Zeichnung nicht berücksichtigt ist. Das den Zyklon verlassende Gas strömt in der Leitung zu einer Kühleinrichtung und gelangt in der Leitung z.B. zu einer nicht dargestellten Entstaubung, bevor es in die Atmosphäre geleitet wird.
  • Zu den bekannten Anlagenteilen gehört auch eine Wirbelkammer (9), welcher man durch die Leitung (8a) feinkörnige Feststoffe aus dem Zyklon (6) zuführt. Durch Fluidisierungsluft aus der Leitung (11) werden die Feststoffe in der Kammer (9) aufgewirbelt, einen Teil der Wärme entzieht man im indirekten Wärmeaustauscher (12). Die so behandelten Feststoffe gibt man dann durch die Leitung (13) mindestens teilweise zurück zur Brennkammer (1), ein Überschuß an Feststoffen kann man in der Leitung (14) aus dem Verfahren entfernen.
  • Wenn man die Erhöhung der Temperatur im Verbrennungsgas bis in den Bereich von 900 bis 1200°C durch Einspeisen und Verbrennen von Schwelgas erreichen will, bieten sich mehrere Möglichkeiten an. Gemäß Fig. 1 erzeugt man das Schwelgas, indem man den heißen Feststoffrückstand aus der Leitung (8a) in der Wirbelkammer (9) mit körniger Kohle aus der Leitung (20) mischt, wodurch die Kohle bei einer Mischtemperatur im Bereich von etwa 300 bis 800 ° C geschwelt wird. Die Wirbelluft aus der Leitung (11) unterstützt die Vermischung der Feststoffe. Auf die indirekte Kühlung (12) kann dabei ganz oder teilweise verzichtet werden. Das erzeugte Schwelgas, das brennbare Bestandteile und ggf. das Wirbelgas aus der Leitung (11) enthält, wird in der Leitung (21) abgezogen. Um die gewünschte Nachverbrennung zu erreichen, kann man dieses Schwelgas in den Kanal (7) hinein verteilen oder man kann es durch die Leitung (22) dem Verbrennungsgas der Leitung (5) zugeben, um dort die Nachverbrennung zu erreichen. Der im Verbrennungsgas vorhandene Sauerstoff reicht für die gewünschte Nachverbrennung aus. Das Verbrennungsgas, das den Zyklon (6) in der Leitung (5) verläßt, weist dadurch nur noch einen minimalen N20-Gehalt von höchstens etwa 50 ppm auf.
  • Wenn man Schwelgas durch die Leitungen (21) oder (22) dem Verbrennungsgas zugibt, kann es sich empfehlen, die intensive Vermischung in einer Erweiterung dieser Leitungen (7) oder (5) herbeizuführen. In der Zeichnung sind solche Erweiterungen oder Mischkammern der Einfachheit halber weggelassen. An die Stelle der Wirbelkammer (9) kann zum Schwelen der Kohle aus der Leitung (20) gemäß Fig. 2 ein an sich bekannter Schneckenmischer (23) treten. Diesem Schneckenmischer gibt man den heißen Feststoffrückstand aus dem Zyklon (6) durch die Leitung (8a) auf und er vermischt den Rückstand mit der Kohle aus der Leitung (20), wobei er das Gemisch zur Leitung (13) hin fördert. Das Schwelgas wird in der Leitung (21) abgezogen. Sowohl beim Schneckenmischer (23) als auch beim Wirbelmischer (9) gemäß Fig. 1 wird zum Schwelen der körnigen Kohle die fühlbare Wärme des in der zirkulierenden Wirbelschicht vorhandenen Feststoffrückstands verwendet. Eine zusätzliche Energiequelle ist nicht erforderlich.
  • Mit Hilfe der Fig. 3 wird zusammen mit den Erläuterungen zu Fig. 1 erklärt, wie man die im unteren Bereich der Brennkammer (1) entstehenden Schwelgase zur Nachverbrennung nutzen kann. Hierzu dient eine Schwelgasleitung (25), die in der Nähe der Mündung der Feststoff-Rückführleitung (8b) in der Brennkammer (1) ansetzt und Schwelgase dem Verbrennungsgas der Leitung (5) zuführt. Hierbei wird der Innendurchmesser der Leitung (25) geeignet gewählt, um nur einen relativ geringen Teil der im unteren Bereich der Brennkammer vorhandenen Gase durch die Leitung (25) abzuführen. Ein Regelventil (nicht dargestellt) ist zumeist entbehrlich.
  • Bei der Anlage der Fig. 3 führt die Feststoffleitung (8) vom Zyklon (6) zu einem an sich bekannten Siphon (24), dem man Wirbel- und Transportluft durch die Leitung (27) zuführt. Durch den Siphon (24) kann sich in der Leitung (8) eine Feststoffschüttung ausbilden, die als Drucksperre zwischen der Brennkammer (1) und dem Zyklon (6) dient. Durch die Leitung (8b) gelangen die Feststoffe in die Brennkammer.
  • Gemäß Fig. 4 wird das Schwelgas im Siphon (24) erzeugt, dem man Wirbel- und Transportluft durch die Leitung (27) zuführt. Durch die Leitung (28) wird körnige Kohle zugegeben, die beim Erhitzen durch Vermischung mit dem heißen Feststoff-Rückstand aus der Leitung (8) Schwelgas bildet. Dieses Schwelgas kann zur Nachverbrennung entsprechend Fig. 1 in den Kanal (7) hinein verteilt oder durch die Leitungen (21) und (22) dem Verbrennungsgas der Leitung (5) zugegeben werden.
    • Beispiel 1
  • In einer Anlage gemäß Fig. 1 und 2 mit einem Schneckenmischer (Fig. 2) anstelle des Wirbelmischers (9) und mit einer Brennkammer (1) von 30 m Höhe wird wie folgt gearbeitet:
    Figure imgb0001
  • Das Verbrennungsgas in der Leitung (7) hat einen 02-Gehalt von 5,6 %. Nach Zumischen des aus den Leitungen (21) und (22) kommenden Schwelgases ergibt sich in der Leitung (5) eine Nachverbrennung, die zu einer Temperatur von 970 ° C und einer N20-Konzentration im Abgas von nur noch 10 ppm führt. Ohne diese Nachverbrennung liegt die Temperatur im Abgas der Leitung (5) bei 865°C und die N20-Konzentration bei 70 ppm.
    • Beispiel 2
  • In einer Anlage gemäß Fig. 3 mit einer Brennkammer (1) von 30 m Höhe wird wie folgt gearbeitet:
    Figure imgb0002
  • Durch die Nachverbrennung in der Leitung (5) steigt dort die Temperatur auf 965°C und der N20-Gehalt sinkt auf 15 ppm.

Claims (4)

1. Verfahren zum Verbrennen körniger Kohle in einer zirkulierenden Wirbelschicht, die eine Brennkammer, einen Abscheider zum Trennen von Verbrennungsgas und Feststoffen und eine Rückführleitung zum Rückführen von Feststoffen vom Abscheider zur Brennkammer aufweist, wobei man körnige Kohle und Luft in den unteren Bereich der Brennkammer einleitet, Feststoffe und Sauerstoff enthaltendes Verbrennungsgas aus der Brennkammer abzieht und in den Abscheider leitet und Verbrennungsgas aus dem Abscheider einer Kühlung zuführt, in das sauerstoffhaltige Verbrennungsgas leitet man brennbare Bestandteile enthaltendes Schwelgas ein, verbrennt das Schwelgas mindestens teilweise und erhöht dabei die Temperatur des Verbrennungsgases auf 900 bis 1200 °C, das Schwelgas wird in einer Mischzone erzeugt, in welcher man körnige Kohle und heiße Feststoffe aus dem Abscheider mischt, wobei man die Kohle schwelt und entstehendes Schwelgas abzieht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwelgas dem Verbrennungsgas außerhalb der Brennkammer zugegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwelgas dem Verbrennungsgas nach dem Abscheider zugegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man brennbare Bestandteile enthaltendes Schwelgas aus dem unteren Bereich der Brennkammer abzieht und in das Verbrennungsgas einleitet.
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