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DE10039575A1 - Verfahren und Anordnung zur Schadstoffreduzierung aus den Abgasen einer mit Schweröl betriebenen Vebrennungskraftmaschine für die Erzeugung von Antriebs- und/oder Wärme- und/oder Elektroenergie - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur Schadstoffreduzierung aus den Abgasen einer mit Schweröl betriebenen Vebrennungskraftmaschine für die Erzeugung von Antriebs- und/oder Wärme- und/oder Elektroenergie

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Publication number
DE10039575A1
DE10039575A1 DE10039575A DE10039575A DE10039575A1 DE 10039575 A1 DE10039575 A1 DE 10039575A1 DE 10039575 A DE10039575 A DE 10039575A DE 10039575 A DE10039575 A DE 10039575A DE 10039575 A1 DE10039575 A1 DE 10039575A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fluidized bed
exhaust gases
steam generation
heat
heavy oil
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
DE10039575A
Other languages
English (en)
Inventor
Dieter Steinbrecht
Roland Weiher
Joerg-Andreas Czernitzky
Hans-Heinrich Mueller
Andrey Stanev
Peter Richter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CZERNITZKY JOERG ANDREAS
Original Assignee
CZERNITZKY JOERG ANDREAS
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
Application filed by CZERNITZKY JOERG ANDREAS filed Critical CZERNITZKY JOERG ANDREAS
Priority to DE10039575A priority Critical patent/DE10039575A1/de
Publication of DE10039575A1 publication Critical patent/DE10039575A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schadstoffreduzierung aus den Abgasen einer mit Schweröl betriebenen Verbrennungskraftmaschine für die Erzeugung von Antriebs- und/oder Wärme- und/oder Elektroenergie. DOLLAR A Für eine sichere Schadstoffreduzierung soll eine einfache Technologie und ein einfacher Anlagenaufbau gefunden werden. DOLLAR A Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Abgase über eine Wärmeverschiebung, z. B. Wärmeübertrager zur Luftvorwärmung und/oder Dampferzeugung, gekühlt, in eine mit einer Temperaturregelung über die Brennstoffmenge betriebene stationäre Wirbelschichtverbrennungsanlage gefördert, den Abgasen Additive und Restbrennstoffe und/oder Brennstoffe zugeführt sowie in einem Temperaturbereich von 850 bis 890 DEG C nachverbrannt werden, und daß die so erzeugten Rauchgase über einen Freiraum der stationären Wirbelschichtverbrennungsanlage geführt und in weitere Wärmeübertrager zur Dampferzeugung eingeleitet werden.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Schadstoffreduzierung aus den Abgasen einer mit Schweröl betriebenen Verbrennungskraftmaschine für die Erzeugung von Antriebs- und/oder Wärme- und/oder Elektroenergie.
Die Verbrennung von Brennstoffen mit erheblichem Schadstoffpotential, z. B. von besonders preis­ werten Schwerölen mit hoher Viskosität und hohem Schwefelgehalt, ist aus ökonomischer Sicht hoch interessant. Die negativen ökologischen Aspekte dieser Verbrennung bezüglich der Qualität der Ab­ gase und deren Zusammensetzung haben bislang durch Überschreitung bestimmter Abgasgrenzwerte den Einsatz solcher Anlagen zur Erzeugung von elektrischer Energie und Kraft-Wärmekopplung in der Energiewirtschaft des Geltungsbereichs der TA-Luft, bzw. 13./17. BImSchV, verhindert. Bedingt durch den hohen Wirkungsgrad der Dieselmotoren ist der Brennstoffverbrauch vergleichsweise nied­ rig, entsprechend niedriger ist der CO2-Ausstoß. Trotz dieser positiven Eigenschaft der Dieselmoto­ ren bezüglich der CO2-Belastung der Atmosphäre, konnte der Einsatz solcher Brennstoffe zur Ener­ gieerzeugung nicht realisiert werden.
Stand der Technik
Bekannt ist eine Anlage mit kombiniertem Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine und einer Wirbel­ schichtfeuerung mit zirkulierender Wirbelschicht (EP 0281535).
Bedingt durch das Prinzip der zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung sind die Möglichkeiten die Qualität der Abgase positiv zu beeinflussen gering (Blanke, T., Kremer, H.: Experimentelle Untersuchungen zur Schadstoffbildung bei der Verbrennung von Raffinerierückständen in einer zirkulierenden Wirbel­ schichtfeuerung, VDI Berichte Nr. 1492, 1999).
Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, daß auch die zirkulierende Wirbelschicht durchaus über ein Po­ tential zur Abgasnachbehandlung verfügen kann. Bedingt durch das Prinzip der Zirkulation der Schicht ist der Reaktor auf Primär- und Sekundärzone aufgeteilt. Die Verweilzeit der Schadstoffe in der Se­ kundärzone ist nahezu unkontrollierbar und meistens sehr kurz. Diese Tatsache ist besonders bei der Verbrennung von flüssigen Abfallbrennstoffen als problematisch anzusehen.
Ein weiterer Nachteil dieser Lösung besteht noch darin, daß die heißen Abgase der Verbrennungs­ kraftmaschine (die Temperatur beträgt je nach Verbrennungsverfahren und Last von 280 bis zu 550°C) von einem Verdichter gefördert werden müssen. Diese Tatsache führt zu speziellen Ausfüh­ rungen des Verdichters verbunden mit einer Überdimensionierung aufgrund des niedrigen Wirkungs­ grades (hohe spezifische Verdichterarbeit wegen der hohen abgegebenen Temperatur Tabg). Dadurch sinkt die Wirtschaftlichkeit sowie die Sicherheit des Systems im Dauerbetrieb.
Das Prinzip der zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung erfordert eine Zyklonabscheidung für die heißen Partikel, die das System maßgebend komplizierter macht. Ein weiteres Problem für die nachgeschal­ teten Heizflächen besteht darin, daß die Abscheidungsrate des Zyklons nicht ausreicht, um sämtliche Partikel von der Gasströmung zu trennen.
Weit verbreitet ist der Einsatz der Verbrennungskraftmaschine, z. B. Dieselmotor als Kraftmaschine zum Antrieb von sogenannten "off-road" Fahrzeugen, z. B. Schiffe. Durch immer strengere Abgasnor­ men und nationale Gesetzgebung zur Abgasqualität von "off-road" eingesetzten Kraftmaschinen wird der Einsatz von solchen Kraftmaschinen jedoch immer problematischer ((US EPA: US Code, Clean Air Act, 42 U.S.C. s/s 7401 et seq. (1970, 1977 and 1990).). Es treten weltweit Novellen in Kraft zum "off-road"-Schadstoffausstoß nicht nur für die NOx-Emission, sondern auch für die SO2-Emission und die Partikel- bzw. Rußemission, (Sweden EPA: The Environmental Code, 01.01.1999; MAN B Diesel A/S: Emission Control of Two-Stroke Low Speed Diesel Engines, MAN B Paper, 1990).
Auch für diese Anlagen ist der Einsatz einer zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung aus den bereits genannten Gründen nicht realisierbar.
Wesen der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Technologie und einen einfachen Anlagen­ aufbau zu finden, um eine sichere Reduzierung von Schadstoffen aus den Abgasen einer mit Schwer­ öl betriebenen Verbrennungskraftmaschine zu gewährleisten. Dies wird dadurch erreicht, daß erfin­ dungsgemäß die Abgase durch Wärmeverschiebung, z. B. Wärmeübertrager zur Luftvorwärmung und/oder Dampferzeugung, gekühlt, in eine mit einer Temperaturregelung über die Brennstoffmenge betriebene stationäre Wirbelschichtverbrennungsanlage gefördert, den Abgasen Additive und brenn­ bare Reststoffe und/oder Brennstoffe zugeführt sowie in einem Temperaturbereich von 850 bis 890°C nachverbrannt werden, und daß die so erzeugten Rauchgase über einen Freiraum der stationären Wirbelschichtverbrennungsanlage geführt und in nachgeschaltete Wärmeübertrager zur Dampferzeu­ gung und/oder Wärmeauskopplung eingeleitet werden.
Durch die Erfindung wird die Verbrennung von unterschiedlichen Brennstoffen, einschließlich flüssi­ gen, gasförmigen, pastös-pumpfähigen Brennstoffen (Abfällen der ölverarbeitenden Industrie) mit erheblichem Schadstoffpotential (hoher Schwefel- und Reststoffgehalt) möglich. Durch das vorge­ schlagene Verfahren werden die Grenzwerte der TA-Luft und/oder 13./17. BImSchV unterschritten und somit ein stationärer Einsatz als Anlage zur Erzeugung von Antriebs-, und/oder Wärme- und/oder Elektroenergie erreicht.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt die Kopplung der Verbrennungskraftmaschine mit der stationären Wirbelschichtverbrennungsanlage.
Die stationäre Wirbelschichtverbrennungsanlage 1 besteht aus Reaktor 1.3 mit Wirbelschicht, Frei­ raum (Freebord) 1.4, Brennkammer 1.1 mit Brenner für flüssige Brennstoffe, Aus- und Eintragvorrich­ tungen 1.5 und Gaseintrittskammer 1.2.
Die Verbrennungskraftmaschinenanlage besteht aus einer Verbrennungskraftmaschine 10 (z. B. Zwei- oder Viertakt-Dieselmotor bzw. Gasturbine) ausgestattet mit Separator, Filter, Pumpen, Vorratsbehäl­ ter und Brennstoffvorwärmer sowie Generator 11. Die Turbogeneratoranlagen 4; 6 bestehen aus Ab­ gasdampferzeuger 5; 7 mit Aschevorabscheider, Dampftrommel 4.1 mit Separator, Pumpen, Turbo­ generator 4.2 und Kondensator 4.3.
Die Abgasdampferzeuger 5; 7 weisen Überhitzer (5.1; 7.1), Verdampfer (5.2; 7.2) und Economiser (5.3; 7.3) auf. Der stationären Wirbelschichtverbrennungsanlage 1 ist der Luftvorwärmer 12 vorge­ schaltet.
Die Wirkungsweise ist folgende:
Die Abgase 13 der Verbrennungskraftmaschine 10 werden über die Abgasleitung 8 im Luftvorwärmer 12 bis zu einer Temperatur Tabg < TTaupunkt gekühlt, um eine Unterschreitung des Taupunktes und damit eine mögliche Säurekorrosion zu vermeiden. Nach dem Luftvorwärmer 12 werden die Abgase 13 mit­ tels des Gebläses 2 in die Gaseintrittskammer 1.2 geleitet, in der eine Vermischung der Abgase 13 mit der Primärluft 14 vor dem Reaktor 1.3 ermöglicht wird. Alternativ ist eine getrennte Zuführung der Abgase 13 und der Primärluft 14 über getrennte Düsensysteme erreichbar. Im Reaktor 1.3 werden auf dem Prinzip der stationären Wirbelschicht durch Beimischung von Additiven chemische Reaktionen mit den Schadstoffkomponenten des Abgases 13 in einem vorgegebenen Temperaturfenster erzielt. Die Rauchgase 15 werden nach der Behandlung in der Wirbelschicht in den Abgasdampferzeuger 5 geleitet. In diesem Abgasdampferzeuger 5 wird ein Wasserdampfgemisch im Verdampfer 5.2 produ­ ziert. In der Dampftrommel 4.1 mit Separator wird der Sattdampf vom Wasser getrennt und über den Überhitzer 5.1 geführt. Im Turbogenerator 4.2 wird der Dampf entspannt, die mechanische Energie wird im Generator in elektrische umgewandelt. Im Heizkondensator 4.3 (Kraft-Wärme-Kopplung) wird der Dampf am Austritt aus dem Turbogenerator 4.2 kondensiert und im Kreislauf K1 mittels Speise­ wasserpumpe in die Dampftrommel 4.1 geleitet.
Die mechanische Energie der Verbrennungskraftmaschine 10 wird im Generator 11 in elektrische Energie umgewandelt. Die Erzeugung von Elektroenergie erfolgt dadurch im Kreislauf K1 und im Ge­ nerator 11.
Der stationären Wirbelschichtverbrennungsanlage 1 kann der Abgasdampferzeuger 7 vorgeschaltet werden. Die Abgase 13 der Verbrennungskraftmaschine 10 werden über die Abgasleitung 9 in den Abgasdampferzeuger 7 eingeleitet. Der zweite Dampfkreislauf K2 besteht aus dem Abgasdampfer­ zeuger 7, der Dampftrommel 6.1 mit Separator, dem Turbogenerator 6.2 und dem Heizkondensator 6.3 und wird durch die dazugehörigen Speisewasser- und Zirkulationspumpen gewährleistet. Die Ab­ gase 13 des Abgasdampferzeugers werden mittels des Gebläses 2 in die Gaseintrittskammer 1.2 zur Vermischung mit der Primärluft für die Wirbelschicht geleitet. Der, der SWSVA nachgeschaltete Was­ serdampfkreislauf K1 kann wie oben beschrieben (siehe Beschreibung der Patentansprüche 1 und 2) ausgeführt werden. Die Erzeugung von Elektroenergie erfolgt dadurch zusätzlich im Kreislauf K2. Aus den Kreisläufen K1; K2 ist ohne weiteres Fernwärme auskoppelbar.
Die Einführung der Restbrennstoffe (Brennstoffe mit Schadstoffpotential) in die Wirbelschicht­ verbrennungsanlage wird so ausgeführt, daß die Verbrennung von unterschiedlichen gasförmigen, flüssigen und/oder pumpfähigen und/oder pastösen Stoffen ermöglicht wird. Eine Aufbereitungsanlage zur Zerkleinerung und Homogenisierung dieser Brennstoffe ist nicht unbedingt notwendig. Der Bren­ ner in der Brennkammer 1.1 ist nur für das Anfahren der stationären Wirbelschichtverbrennungsanla­ ge erforderlich.
Die beschriebenen Anlagen und Kreisläufe sind mit den üblichen Überwachungs- und Regelungssen­ soren ausgestattet. Zur Gewährleistung von Anlaßvorgängen und Notstops der Anlagen sind Bypass­ vorrichtungen 16 (abgasseitig) mit entsprechenden Absperrvorrichtungen 3 vorgesehen.
Durch die Erfindung werden die Vorteile des Verfahrens der stationären Wirbelschichtfeuerung zur Abgasnachbehandlung mit der Verbesserung des gesamten thermodynamischen Wirkungsgrades des Systems verbunden. Die Möglichkeiten zur Verbrennung und optimalen energetischen Ausnutzung von Brennstoffen mit erheblichem Schadstoffpotential im stationären Landbetrieb werden zum ersten Mal aus ökologisch-rechtlichen Gründen technisch und wirtschaftlich möglich. Bedingt durch die bes­ sere Ausnutzung der produzierten Wärmeenergie, steigt die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber bekannten technischen Lösungen deutlich, eine Auskopplung zur Kraft- Wärme-Kopplung ist möglich. Es werden erstmals technisch sichere Lösungen zur Abgasnachbe­ handlung von Motorabgasen mit problematischer Zusammensetzung verbunden mit einer Reduzie­ rung des CO2-Ausstoßes ermöglicht.
Durch die Erfindung werden die gesetzlichen Emissionsgrenzwerte (TA-Luft, BImSchG) eingehalten.
Die verfahrensspezifischen Voraussetzungen zur schadstoffreduzierten thermischen Entsorgung von flüssigen und gasförmigen Restbrennstoffen sowie die Verbrennung von Brennstoffen mit erheblichem Schadstoffpotential bestehen darin, daß durch die Kombination von Verbrennungskraftmaschine und stationärer Wirbelschichtverbrennungsanlage die Abgase der Verbrennungskraftmaschine in diese zur Nachbehandlung geleitet werden. Diese Kombination erlaubt gleichzeitig die Verbrennung unter­ schiedlicher Brennstoffe, wie Schweröle im Dieselmotor oder Gasturbine und flüssige und/oder gas­ förmige Restbrennstoffe in der Verbrennungsanlage, um so die erzeugte Wärmeenergie mit hohem thermodynamischen Wirkungsgrad auszunutzen. Das Gesamtverfahren ergibt darüber hinaus eine erhöhte Stromkennziffer. Bedingt durch das Prinzip der stationären Wirbelschichtfeuerung kann die Konstruktion der Anlage im Gegensatz zur zirkulierenden Wirbelschicht deutlich vereinfacht werden, da der Zyklon zur Abscheidung der Partikel von der Gasströmung nicht erforderlich ist. Zur Minderung der Erosionsgefahr im Dampferzeuger sind nachgeschaltete Aschevorabscheider und/oder konstrukti­ ve Maßnahmen am nachgeschalteten Abgasdampferzeuger vorgesehen.
Die variable Betthöhe der stationären Wirbelschichtverbrennungsanlage und die gezielte Zugabe spe­ zifischer Additive erlauben, alle relevanten Reaktionen zur Reduzierung der Schadstoffe im Abgas vollständig im Wirbelbett ablaufen zu lassen. Diese Möglichkeit ist besonders bei der Verbrennung flüssiger Brennstoffe und brennbarer Reststoffe von großer Bedeutung. Eine hohe Effizienz des Ab­ baus der Schadstoffe in diesem Fall kann noch vor dem Freiraum (Freebord) erreicht werden.
Die Erfindung ist anwendbar für stationäre Anlagen an Land und mobile Anlagen auf Schiffen sowie off-road-Landfahrzeuge für Entsorgungsaufgaben vor Ort ohne Transport der zu entsorgenden Stoffe.
Aufstellung der Bezugszeichen
1
Wirbelschichtverbrennungsanlage
1.1
Brennkammer
1.2
Gaseintrittskammer
1.3
Stationäre Wirbelschicht
1.4
Freiraum (Freebord)
1.5
Aus- und Eintragsvorrichtungen
2
Verdichter
3
Absperrventil
4
Turbogeneratoranlage (Kreislauf K
1
)
4.1
Dampftrommel
4.2
Turbogenerator
4.3
Kondensator
5
Abgasdampferzeuger (Kreislauf K
1
)
5.1
Überhitzer
5.2
Verdampfer
5.3
Economiser
6
Turbogeneratoranlage (Kreislauf K
2
)
6.1
Dampftrommel
6.2
Turbogenerator
6.3
Heizkondensator
7
Abgasdampferzeuger (Kreislauf K
2
)
7.1
Überhitzer
7.2
Verdampfer
7.3
Economiser
8
Abgasleitung
9
Abgasleitung
10
Verbrennungskraftmaschine
11
Elektrischer Generator
12
Wärmeübertrager
13
Abgas (nach Verbrennungskraftmaschine)
14
Primärluft
15
Rauchgas (nach Wirbelschicht)
16
Bypaß

Claims (7)

1. Verfahren und eine Anordnung zur Schadstoffreduzierung aus den Abgasen einer mit Schweröl betriebenen Verbrennungskraftmaschine für die Erzeugung von Antriebs- und/oder Wärme- und/oder Elektroenergie, gekennzeichnet dadurch, daß die Abgase über eine Wärmeverschie­ bung, z. B. Wärmeübertrager zur Luftvorwärmung und/oder Dampferzeugung, gekühlt, in eine mit einer Temperaturregelung über die Brennstoffmenge betriebene stationäre Wirbelschichtverbren­ nungsanlage gefördert, den Abgasen Additive und brennbare Restbrennstoffe und/oder flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe zugeführt sowie in einem Temperaturbereich von 850 bis 890°C nachverbrannt werden, und daß die so erzeugten Rauchgase über einen Freiraum der stationären Wirbelschichtverbrennungsanlage geführt und in weitere Wärmeübertrager zur Dampferzeugung eingeleitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Abgase über eine Wärmeverschie­ bung zur Erzeugung von vorgewärmter Luft und/oder Dampf gekühlt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Abgase und die Primärluft über getrennte Düsensysteme in den Reaktor 1.3 eingebracht werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Additive und die brennbaren Ab­ fallstoffe und/oder Brennstoffe in flüssiger und/oder pumpfähiger und/oder pastöser und/oder fe­ ster und/oder gasförmiger Form zugeführt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Abgase über einen Bypaß in die weiteren Wärmeübertrager nach stationärer Wirbelschichtverbrennungsanlage gefördert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Verbrennungskraftmaschine eine Zwei- oder Viertakt-Verbrennungskraftmaschine oder eine Gasturbine betrieben wird.
7. Anordnung zur Schadstoffreduzierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Ab­ gasleitung eines mit Schweröl betriebenen Dieselmotors über ein Wärmeverschiebungssystem, z. B. mit einer stationären Wirbelschichtfeuerung, verbunden ist, deren Abgaskanal in ein Wärme- und/oder Dampferzeugersystem eingebunden ist.
DE10039575A 2000-08-12 2000-08-12 Verfahren und Anordnung zur Schadstoffreduzierung aus den Abgasen einer mit Schweröl betriebenen Vebrennungskraftmaschine für die Erzeugung von Antriebs- und/oder Wärme- und/oder Elektroenergie Withdrawn DE10039575A1 (de)

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