EP3537043A1 - Verbrennungsanlage - Google Patents

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EP3537043A1
EP3537043A1 EP19150955.3A EP19150955A EP3537043A1 EP 3537043 A1 EP3537043 A1 EP 3537043A1 EP 19150955 A EP19150955 A EP 19150955A EP 3537043 A1 EP3537043 A1 EP 3537043A1
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EP
European Patent Office
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train
fluidized bed
combustion
fuel
deflection
Prior art date
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Pending
Application number
EP19150955.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian Kaiser
Kurt Kaufmann
Christian PUSTERHOFER
Franz Neubacher
Walter KLETZMAYER
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Andritz AG
Original Assignee
Andritz AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C10/00—Fluidised bed combustion apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/30—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having a fluidised bed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/06041—Staged supply of oxidant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2202/00—Combustion
    • F23G2202/10—Combustion in two or more stages
    • F23G2202/101—Combustion in two or more stages with controlled oxidant supply

Definitions

  • the invention relates to a combustion system with a first train, with at least one fuel addition for burning a fuel and with a fluidized bed.
  • the invention further relates to a method in an incinerator.
  • Fluidized bed furnaces fluidized bed firing
  • Fluidized bed burns have the advantage that, due to the high storage capacity of the bed material, they are able to burn a wide fuel band.
  • the excellent mixing in a fluidized bed allows a very homogeneous combustion and thus very low emission levels.
  • Many waste materials form ashes on combustion, which have a melting point below the usual combustion temperature of such a plant.
  • the low-melting ashes form, especially when the addition of air in particular the secondary (or tertiary) air in a common furnace above the other and above the fluidized bed, deposits on the walls of the furnace, which grow with continuous operation of the plant and a determined size or changes in combustion conditions due to load changes from the wall and fall into the fluidized bed. There they obstruct the fluidization which also leads to uncontrolled combustion conditions that make a shutdown of the plant necessary. This fact can theoretically be circumvented by continuous, continuous cleaning of the walls in the furnace. This prevents deposits over a critical size grow, small deposits can be discharged in operation from the fluidized bed.
  • the object of the invention is therefore to provide an incinerator and a method for burning such fuels available, which avoids or reduces the above-mentioned disadvantages and allow the direct abandonment of fuels with low-melting ash as fuel in the fluidized bed.
  • the invention is therefore characterized in that, in a region separated from the fluidized bed by, for example, a deflection, a supply for secondary air for complete combustion in a second flow, which is preferably flowed through downward Train is arranged. This ensures that ash caking and slag form only in the second train without affecting the fluidized bed negative.
  • An advantageous development of the invention is characterized in that a trigger for low-melting ash and slag is provided in the second train. As a result, they can be removed separately.
  • a favorable embodiment of the invention is characterized in that further air additions are provided in the second train, which is preferably flowed downward. This can ensure complete combustion.
  • the invention also relates to a method in a combustion system with a first train, with at least one fuel addition for burning a fuel and with a fluidized bed. It is inventively characterized in that the secondary air is supplied in a separated from the fuel addition area after a deflection in an ideally downwardly flowed through the second train.
  • An advantageous development of the invention is characterized in that further air additions take place in the second train, which is preferably flowed downward.
  • a favorable embodiment of the invention is characterized in that the gases are passed from the fluidized bed in a first train and that the complete combustion takes place in a second train.
  • a favorable development of the invention is characterized in that the temperature is heated to over 750 ° C by the further combustion.
  • a fluidized bed incinerator is schematically illustrated, in which bed material such as sand, blast furnace slag or the like Materials in a fluidized bed 2 by injection 9 with combustion air and, if necessary, fluidized by recirculation gas.
  • bed material such as sand, blast furnace slag or the like Materials in a fluidized bed 2 by injection 9 with combustion air and, if necessary, fluidized by recirculation gas.
  • the solid fuel is thrown or blown into the combustion chamber of the first train 8.
  • the combustion chamber in the first train 8 and the combustion chamber separated by a deflection 3 of 90 to ideally 180 degrees thereof in the second train 5 can be made gas-tight either by water and / or steam pipe walls or by a sheet metal construction.
  • the wall may be protected by bricking or metallic coatings.
  • the fuel from the fuel feed 1 is partially combusted in the fluidized bed 2, wherein the fluidized bed 2 typically has a temperature of 600-750 ° C.
  • the fluidized bed 2 typically has a temperature of 600-750 ° C.
  • other temperature profiles are possible.
  • An embodiment of the invention as in Fig. 1 is shown has a plurality of air openings for supporting air 7. By this supporting air, a part of the gas leaving the fluidized bed 2 can be burned and thereby the temperature of the gas can be raised, in order to prevent the gas temperature from falling below the ignition temperature of the gas before reaching the secondary air supply 4.
  • the flammable gas mixture emerging from the combustion chamber of the first train is conducted in the deflection 3 into the second train 5, which, ideally, flows downwards.
  • secondary air 4 is a complete combustion of the leaking from the deflection 3 gas.
  • the secondary air is injected via lances or nozzles and typically consists of several air inlets.
  • the air addition of the secondary air can also be distributed over several levels (4, 4a).
  • the combustion gas typically has a temperature above 850 ° C, often even over 1000 ° C.
  • a sufficient residence time is ensured for a high burn-out.
  • On the walls of the Ideally downwardly flowed combustion chamber may form due to the fuel properties slag accumulations.
  • a slag discharge opening 6 In the lower region of the ideally downwardly flowed combustion chamber is a slag discharge opening 6 in which the slag is removed by gravity or by mechanical discharge openings. After the flue gas has passed the discharge opening 6, it is fed to the further process for energy recovery - typically a steam boiler with overheating, evaporator and / or economizer. These parts of the plant correspond to the state of the art. By the previous separation of slag there is also no risk for the installation of superheater, evaporator or Economizer inhabit.
  • Fig. 3 is a similar embodiment of the invention described by the flue gas deflected only 90 degrees after the first train 3 is.
  • the second train 5 is thus carried out horizontally.
  • the air supply 4 and 4a is also in the second train 5, the ash deduction 6 is also mounted in this case under the horizontal second train.
  • a disadvantage of such an embodiment the more difficult mixing of the combustion air 4 and 4a with the flue gas and the lack of cooling ability of the ashes and slags that fall directly after complete combustion in the ash hopper and 5 can not cool in the second train.
  • the invention is not limited to the illustrated examples. Thus, e.g. also a further addition of, for example, liquid fuels done.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsanlage mit einem ersten Zug (8), mit wenigstens einer Brennstoffzugabe (1) zum Verbrennen eines Brennstoffs und mit einem Wirbelbett (2). Sie ist vornehmlich dadurch gekennzeichnet, dass in einem vom Wirbelbett (2) durch eine Umlenkung (3) separierten Bereich eine Zufuhr für Sekundärluft (4, 4a) zur vollständigen Verbrennung in einem idealerweise abwärts durchströmten zweiten Zug (5) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren in einer Verbrennungsanlage. Durch diese Anordnung können ein Herabfallen von an den Wänden anhaftender Schlacke in das Wirbelbett und dadurch unnötige Stillstände verhindert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsanlage mit einem ersten Zug, mit wenigstens einer Brennstoffzugabe zum Verbrennen eines Brennstoffs und mit einem Wirbelbett. Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren in einer Verbrennungsanlage.
  • Bei industriellen Standorten, in denen brennbare Abfallstoffe anfallen, hat es sich bewährt, Verbrennungskraftwerke zu errichten. So können Masse und Volumen der anfallenden Abfallstoffe zum Einen stark minimiert werden und zum Anderen kann der Standort seinen Energiebedarf zum Teil oder vollständig selbst decken. Dazu werden häufig Wirbelbettfeuerungen (Wirbelschichtfeuerungen) verwendet. Wirbelschichtverbrennungen haben den Vorteil, dass sie aufgrund der hohen Speicherkapazität des Bettmaterials in der Lage sind, ein breites Brennstoffband verfeuern zu können. Zusätzlich erlaubt die ausgezeichnete Durchmischung in einem Wirbelbett eine sehr homogene Verbrennung und damit verbunden sehr niedrige Emissionswerte. Viele Abfallstoffe bilden bei der Verbrennung Aschen, die einen Schmelzpunkt haben, der unter der üblichen Verbrennungstemperatur einer solchen Anlage liegt. Dies tritt vor Allem bei landwirtschaftlichen Produkten wie Gräsern, Stroh, Körnern, Energiepflanzen, tierischen Abfallprodukten mit hohen Alkaligehalten in der Asche oder kommunalen bzw. gewerblichen Abfallbrennstoffen oder Shredderfraktionen aus der Metallaufbereitung. Die Probleme bei herkömmlichen Wirbelschicht-anlagen mit diesen Brennstoffen sind dabei folgende: Durch Bildung von Eutektika der Brennstoffaschen und des Bettmaterials kann es zu einem Schmelzen im Wirbelbett kommen, das zu versinterten Klumpen im Wirbelbett führt. Diese können nicht mehr fluidisiert werden und wachsen im Wirbelbett weiter, bis sie einen Betrieb des Kessels mit den einzuhaltenden Emissionsgrenzwerten nicht mehr erlauben. Für dieses Problem existieren bis zu Ascheschmelzpunkten von ca. 600 °C technologische Lösungen. Durch gestufte Verbrennung und geeignete Bettmaterialien kann das Sintern der Asche im Wirbelbett verhindert werden. Hier wird nach der Brennstoffzugabe erneut Luft zugeführt um die Verbrennung weiter zu führen bzw. zu vervollständigen. Diese Luft wird auch als Sekundärluft bezeichnet. Oft wird auch noch etwas später neuerlich Luft (Tertiärluft) zugeführt.
  • Ein zweiter Mechanismus ist aber noch nicht gelöst. Die niedrig schmelzenden Aschen bilden, speziell wenn die Luftzugabe insbesondere der Sekundär- (oder auch Tertiär-) luft in einem gemeinsamen Feuerraum übereinander und über dem Wirbelbett angeordnet sind, an den Wänden des Feuerraumes Ablagerungen, die mit fortdauerndem Betrieb der Anlage anwachsen und bei einer bestimmten Größe oder bei geänderten Verbrennungsbedingungen durch Lastwechsel sich von der Wand lösen und in das Wirbelbett fallen. Dort behindern sie die Fluidisierung was ebenso zu unkontrollierten Verbrennungsbedingungen führt, die ein Abstellen der Anlage notwendig machen. Dieser Umstand kann theoretisch durch ständiges, kontinuierliches Reinigen der Wände im Feuerraum umgangen werden. Dadurch wird verhindert, dass Beläge über eine kritische Größe anwachsen, kleine Beläge können in Betrieb aus dem Wirbelbett ausgeschleust werden. Praktisch ist diese Methode aber nur schwer durchführbar, weil man nicht jede Fläche und Ecke des Feuerraumes mit Heizflächenreinigungseinrichtungen erreichen kann und ein ständiges Reinigen Wirkungsgradverluste bedeutet und einen erhöhten Verschleiß durch Korrosion- und Erosionsmechanismen an den Wänden hervorrufen kann. Die Anlage bedarf häufiger Reinigungsarbeiten, was, insbesondere auch durch den Stillstand der Feuerung, weitere hohe Kosten verursacht. Es ist aus der WO 2014/184437 A ein Kessel bekannt, bei dem der untere Teil geteilt und so ein Bereich mit Wirbelschicht und ein freier Bereich zur Abfuhr von Schlacken und Asche geschaffen wird. Weiters wird das Gas durch Schikanen bei der Aufwärtsströmung umgeleitet. Aus der JP S58156107 A ist ein Kessel bekannt, bei dem das Gas einem Zyklon zugeführt wird, in den zur Kühlung Wasser eingespritzt wird. Die JP S602817 A zeigt eine einstufige Verbrennung mit einem abwärts durchströmten Kühler.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Verbrennungsanlage und ein Verfahren zum Verbrennen solcher Brennstoffe zur Verfügung zu stellen, welches die oben genannten Nachteile vermeidet oder vermindert und die direkte Aufgabe von Brennstoffen mit niedrig schmelzenden Aschen als Brennstoff in das Wirbelbett ermöglichen.
  • Die Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, dass in einem vom Wirbelbett durch beispielsweise eine Umlenkung separierten Bereich eine Zufuhr für Sekundärluft zur vollständigen Verbrennung in einem idealerweise abwärts durchströmten zweiten Zug angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, dass sich Ascheanbackungen und Schlacken erst im zweiten Zug bilden ohne das Wirbelbett negativ zu beeinflussen.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Zug ein Abzug für niedrig schmelzende Aschen und Schlacke vorgesehen ist. Dadurch können diese getrennt abgeführt werden.
  • Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im idealerweise abwärts durchströmten zweiten Zug weitere Luftzugaben vorgesehen sind. Damit kann eine vollständige Verbrennung sichergestellt werden.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren in einer Verbrennungsanlage mit einem ersten Zug, mit wenigstens einer Brennstoffzugabe zum Verbrennen eines Brennstoffs und mit einem Wirbelbett. Sie ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluft in einem von der Brennstoffzugabe separierten Bereich nach einer Umlenkung in einen idealerweise abwärts durchströmten zweiten Zug zugeführt wird.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im idealerweise abwärts durchströmten zweiten Zug weitere Luftzugaben erfolgen. Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gase vom Wirbelbett in einen ersten Zug geleitet werden und dass die vollständige Verbrennung in einem zweiten Zug erfolgt.
  • Eine günstige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass durch die weitere Verbrennung die Temperatur auf über 750°C aufgeheizt wird.
  • Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielhaft beschrieben, wobei
    • Fig. 1 eine Variante der Erfindung und
    • Fig. 2 eine weitere Variante der Erfindung
    • Fig. 3 eine weitere Variante der Erfindung
    darstellt.
  • In Fig. 1 ist eine Verbrennungsanlage auf Wirbelschichtbasis schematisch dargestellt, bei der Bettmaterial wie Sand, Hochofenschlacke oder ähnliche Materialien in einem Wirbelbett 2 durch Einblasung 9 mit Verbrennungsluft und wenn erforderlich durch Rezirkulationsgas fluidisiert wird. Über eine oder mehrere Brennstoffaufgabestellen 1 wird der feste Brennstoff in die Brennkammer des ersten Zuges 8 eingeworfen oder eingeblasen. Die Brennkammer im ersten Zug 8 sowie die durch eine Umlenkung 3 von 90 bis idealerweise 180 Grad davon getrennte Brennkammer im zweiten Zug 5 können entweder durch Wasser und /oder Dampf führende Rohrwände oder durch eine Blechkonstruktion gasdicht ausgeführt sein. Die Wand kann durch Ausmauerung oder metallische Beschichtungen geschützt sein.
  • Der Brennstoff aus der Brennstoffaufgabe 1 wird im Wirbelbett 2 teilweise verbrannt, wobei das Wirbelbett 2 typischerweise eine Temperatur von 600-750°C aufweist. Es sind jedoch auch andere Temperaturprofile möglich.
  • Aus dem Wirbelbett treten Schwelgase und Produkte der unvollständigen Verbrennung wie z.B.: CO, H2, CO2, H2O in die Brennkammer 8. Eine Ausgestaltung der Erfindung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist weist mehrere Luftöffnungen für Stützluft 7 auf. Durch diese Stützluft kann ein Teil des aus dem Wirbelbett 2 austretenden Gases verbrannt werden und dadurch die Temperatur des Gases angehoben werden, um zu verhindern, dass die Gastemperatur vor Erreichen der Sekundärluftzufuhr 4 unter die Zündtemperatur des Gases fällt.
  • Das aus der Brennkammer des ersten Zuges austretende, brennbare Gasgemisch wird in der Umlenkung 3 in den idealerweise abwärtsdurchströmten zweiten Zug 5 geleitet.
  • Durch Sekundärluft 4 erfolgt eine vollständige Verbrennung des aus der Umlenkung 3 austretenden Gases. Die Sekundärluft wird über Lanzen oder Düsen eingeblasen und besteht typischerweise aus mehreren Luftzuführungen.
  • In einer anderen Ausführung der Erfindung gemäß Fig. 2 kann die Luftzugabe der Sekundärluft auch über mehrere Ebenen verteilt erfolgen (4, 4a).
  • Nach der Sekundärluftzugabe hat das Verbrennungsgas typischerweise eine Temperatur über 850°C oft sogar über 1000°C. Im idealerweise abwärtsdurchströmten zweiten Zug 5 der Brennkammer wird eine ausreichende Verweilzeit für einen hohen Ausbrand gewährleistet. An den Wänden der idealerweise abwärtsdurchströmten Brennkammer können sich bedingt durch die Brennstoffeigenschaften Schlackeansammlungen bilden. Diese lösen sich typischerweise ab einer bestimmten Größe von der Wand ab oder werden durch Heizflächenreinigungseinrichtungen abgelöst.
  • Im unteren Bereich der idealerweise abwärtsdurchströmten Brennkammer befindet sich eine Schlackeaustragsöffnung 6 in welcher die Schlacke durch Gravitation oder durch mechanische Austragsöffnungen entfernt wird. Nachdem das Rauchgas die Austragsöffnung 6 passiert hat wird es dem weiteren Prozess zur Energierückgewinnung- typischerweise einem Dampfkessel mit Überhitzung, Verdampfer und/oder Economizer - zugeführt. Diese Anlagenteile entsprechen dem Stand der Technik. Durch die vorhergehende Abscheidung von Schlacke besteht auch keine Gefahr für die Verlegung von Überhitzer-, Verdampfer- oder Economizerflächen.
  • In Fig. 3 ist eine ähnliche Ausführung der Erfindung beschrieben indem das Rauchgas nach dem ersten Zug nur 90 Grad umgelenkt 3 wird. Der zweite Zug 5 ist damit horizontal ausgeführt. Die Luftzugabe 4 bzw. 4a erfolgt ebenso im 2. Zug 5, der Ascheabzug 6 ist in diesem Fall ebenso unter dem horizontalen zweiten Zug angebracht. Nachteilig bei einer derartigen Ausführung die schwierigere Durchmischung der Verbrennungsluft 4 bzw. 4a mit dem Rauchgas sowie die fehlende Abkühlmöglichkeit der Aschen und Schlacken, die direkt nach der vollständigen Verbrennung in den Aschetrichter fallen und im 2. Zug 5 nicht abkühlen können.
  • Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt. So kann z.B. auch eine weitere Zugabe von beispielsweise flüssigen Brennstoffen erfolgen.

Claims (6)

  1. Verbrennungsanlage mit einem ersten Zug (8), mit wenigstens einer Brennstoffzugabe (1) zum Verbrennen eines Brennstoffs und mit einem Wirbelbett (2), dadurch gekennzeichnet, dass in einem vom Wirbelbett (2) durch eine Umlenkung (3) separierten zweiten Zug (5) eine Zufuhr für Sekundärluft (4, 4a) zur vollständigen Verbrennung angeordnet ist, wobei die Umlenkung (3) 90 bis idealerweise 180 Grad ausgeführt ist.
  2. Verbrennungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Zug (5) mindestens ein Abzug (6) für niedrig schmelzende Aschen und Schlacke vorgesehen ist.
  3. Verbrennungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass im idealerweise abwärts durchströmten zweiten Zug (5) weitere Luftzugaben (4a) vorgesehen sind.
  4. Verfahren in einer Verbrennungsanlage mit einem ersten Zug (8), mit wenigstens einer Brennstoffzugabe (1) zum Verbrennen eines Brennstoffs und mit einem Wirbelbett (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluft (4, 4a) in einem von der Brennstoffzugabe (1) separierten Bereich nach einer Umlenkung (3) zur vollständigen Verbrennung in einen zweiten Zug (5) zugeführt wird, wobei das Rauchgas im zweiten Zug (5) horizontal bis idealerweise abwärts strömt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im idealerweise abwärts durchströmten zweiten Zug (5) weitere Luftzugaben (4a) erfolgen.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die weitere Verbrennung die Temperatur auf über 750°C aufgeheizt wird.
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