DE3418980C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Dampf - Google Patents

Abstract

Die Erzeugung von Dampf 15 in einem Kessel 12 unter Verwendung von festen, feinkörnigen, kohlenstoffhaltigen Materialien 4 wird so durchgeführt, daß diese Materialien zunächst, vorzugsweise in einem Hochtemperatur-Winkler-Reaktor 1 vergast werden und das resultierende, zu einem großen Teil aus CO und H2 bestehende Gas 11 direkt in den Kessel 12 geführt und dort verbrannt wird. Vergasungsreaktor 1 und Kessel 12 sind zweckmäßig zu einer Baueinheit zusammengefaßt. Der aus den kohlenstoffhaltigen Materialien 4 freigesetzte Schwefel wird weitgehend bereits im Vergasungsreaktor 1 unter Verwendung von CaO oder gleichwertigen Substanzen gebunden. Die Tatsache, daß im Kessel 12 gasförmiger Brennstoff 11 verbrannt wird, erleichtert die Einhaltung von Betriebsbedingungen, die die Bildung von NOX weitgehend vermeiden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Dampf gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei einem aus der DE-Zeltschrlft »Brennstoff, Wärme, Kraft«, 1976, No. 2, Selten 57-60 bekannten derartigen Verfahren und der dazu benutzten Vorrichtung wird als nachteilig angesehen, daß zur Entstaubung des Produktgases mehrere Apparate erforderlich sind, wie z. B. ein Zyklon, eine Naßentstaubung, eine Entschlammung und weitere nicht näher bezeichnete Einrichtungen. Dadurch werden das Vergasungsverfahren und auch die dazu notwendigen Einrichtungen kompliziert und aufwendig.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verringerung des apparativen Aufwandes für die Reinigung des aus dem Vergaser kommenden Produktgases zu erreichen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Kennzeichens Im Anspruch 1 gelöst.

Im Ergebnis bedeutet dies, daß dem Dampferzeuger-Wärmetauscher ein Wirbelschichtvergaser vorgeschaltet Ist, In welchem das feste kohlenstoffhaltige Material unter Anwendung gasförmiger Vergasungsmittel zu einem Insbesondere CO und H₁ enthaltenden Produktgas umgesetzt wird, welches mit den Feststoffpartikeln direkt dem Kessel zugeführt und dort verbrannt werden kann. Wenngleich der dem Dampferzeuger-Wärmetauscher vorgeschaltete Vergasungs-Reaktor Im Vergleich zu herkömmlichen Kesseln für die Dampferzeugung, bei denen der Brennstoff direkt verbrannt wird, einen zusätzlichen apparativen Aufwand bedeutet, überwiegen die durch eine derartige Vcrlahrensl'ührung crzlclbarcn Vorteile. Die durch die Vergasungsmittel - neben Sauerstoff vor allem Dampf - und die resultierenden Umsetzungsprodukte Im Reaktor verursachte reduzierende Atmosphäre begünstigt die Umsetzung des aus dem Brennstoff freigesetzten Schwefels zu H₂S, dessen Einblndung in CaO bzw. CaMgO an die Beschaffenheit dieser der Entschwefelung dienenden Zusätze merklich geringere Forderungen stellt als dies für die SO₄-Einbindung der Fall 1st. Die Beladung der CaO-Partikel mit Schwefel 1st im Fall des Vorhandenseins von H₂S wesentlich gleichmäßiger, so daß eine höhere spezifische S-BeIadung erreichbar ist, wodurch zur Einbindung einer bestimmten Schwefelmenge eine geringere Menge an CaO erforderlich 1st. Für die Einbindung des In der Kohle enthaltenen Schwefels kann dem Vergaser eine Dosler- und Mischeinrichtung vorgeschaltet werden. In welcher Kalkstein oder dgl. der Kohle zugemischt wird, bevor letztere in den Vergaser eingeführt wird. Üblicherweise wird dabei der Kalkstein in einer Korngröße entsprechend der Korngröße der zu vergasenden Kohle, also z. B. etwa 0-5 mm bei Braunkohle, zugemischt. Das Gemisch kann über eine gekühlte Schnecke In das Wirbelbett eingetragen werden. Wenn die Vergasung im Reaktor unter erhöhtem Druck erfolgt, können Schleusen vorgeschaltet sein.

Weiterhin könnet die NO.-EmlssIonen beim erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich niedriger gehalten werden als bei herkömmlichen Kesselanlagen. Diese NO,-Emissionen gehen zu einem Teil auf den mit dem Brennstoff eingebrachten Stickstoff zurück. Darüber hinaus erfolgt auch eine thermische, d. h. auf den Luftstickstoff zurückgehende ΝΟ,-Blldung. Diese thermische NO,-Bildung kann gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung dadurch merklich verringert werden, daß das Produktgas unter Einhaltung von Verbrennungstemperaturen bis etwa 1000° C In mehreren Stufen unter jeweils reduzierenden Bedingungen zunächst teilverbrannt und in einer letzten Stufe unter oxldleK'iden Bedingungen vollständig umgesetzt wird. Die Tatsache, daß das aus dem Vergasungsreaktor kommende Produktgas auch noch In gewissem Umfang Feststoffpartikel enthält, beeinträchtigt die bei gasförmigen Brennstoffen gegebene Möglichkeit der Verbrennungsführung nicht, da die festen Partikel heizwertmäßig nur von untergeordneter Bedeutung sind und aufgrund Ihrer geringen Korngröße auch schnell verbrennen.

Die festen Vergasungsrückstände, die unterhalb der Wirbelschicht unter Luftabschluß abgezogen werden, können einer getrennten Verbrennung zur Oxidation des eingebundenen Schwefels zu CaSO₄ zugeführt werden. Die dabei gewonnene Wärme kann ebenfalls zur Dampferzeugung genutzt werden.

Die Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist zweckmäßig derart ausgebildet, daß sich an den Wirbelschicht-Vergaser unmittelbar der Dampferzeuger-Wärmetauscher mit den Einrichtungen zum Verbrennen des aus der Wirbelschicht zuströmenden brennbaren Produktgases und der darin vorhandenen brennbaren Feststoffpartikel anschließt. Vergasungsreaktor und Dampferzeuger-Wärmetauscher können somit zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt werden. Eine derartige Ausgestaltung begünstigt auch eine nahezu verlustfreie Nutzung der fühlbaren Warme des Produktgases Im Kessel.

Zwar Ist aus der DE-Zeltschrlft »Brennstoff, Wärme, Kraft«, 1976, No. 2. Selten 57-60 auch ein Wlrbclschlchtxhachtgcnerator bekannt, der oberhalb der Nachvcrgasungs/onc mit clnom In den Vcrgii.scrschucht clnycbau-

ten Strahlungsrohrkessel versehen 1st, der jedoch der Indirekten Kühlung des aus der Nachvergasungszone strömenden Produktgases dient. Durch diese Kühlung soll eine Reduzierung der Temperatur des Produktgases erreicht werden, um ein Ansintern von Ascheteilchen Im oberen Teil des Vergaserschachtes und In den nachgeschalteten Gaswegen zu vermeiden. Bei diesem Wirbelschlchtschachtgenerator wi/d somit nur ein kleiner Teil der fühlbaren Wärme des Produktgases nutzbar gemacht, wobei nicht die Wärmenutzung, sondern vielmehr die dadurch bewirkte Abkühlung des Produktgases Im Vordergrund steh...

Vorteilhaft Ist weiterhin, daß im Vergasungsreaktor ggf. kohlestoffhaltlge Materialiea mit schlechter Qualität vergast werden können, die nicht oder nur mit Schwierigketten direkt In einem Kessel verbrannt werden könnten.

Im übrigen 1st es vorteilhaft, den Kessel mit großen Wärmetauscherflächen zu versehen, da diese für die angestrebten bzw. gegebenen Betriebsbedingungen -verhältnismäßig niedrige Verbrennungstemperaturen und mäßige Gasgeschwindigkeiten - im Hinblick auf den überwiegend konvektlven Wärmeübergang, besonders günstig sind.

Insgesamt weisen Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung den Vorteil auf, daß mit verhältnismäßig einfachen Mitteln SOi- und NO^-Emlssionen merklich verringert werden können. Somit ermöglicht die Erfindung eine entsprechende Verringerung der Umweltbelastung; dies ist Im Hinblick auf die auch In Zukunft angestrebte Nutzung einheimischer Kohlelagerstätten von nicht geringer Bedeutung.

In der Zeichnung Ist eine aus einem Hochtemperatur-Winkler-Vergaser und einem Dampferzeuger-Wärmetauscher bestehende Baueinheit Im Schema dargestellt.

Der HTW-Vergaser 1 weist eine Wirbelschicht und eine Nachvergssungszone 3 auf. !n die Wirbelschicht 2 wird ein Gemisch 4 aus zerkleinertem festem Brennstoff, wie z. B. Kohle, vorzugsweise Braunkohle, und Kalk eingegeben. Über Zuleitungen 5 werden Luft oder Sauerstoff und Dampf als Vergasungsmittel In die Wirbel- schicht 2 eingeführt, so daß gleichzeitig exotherme und endotherme Umsetzungen unter Bildung insbesondere von CO und H₂ ablaufen. Die Vergasungsmittel dienen auch zugleich als Wirbelmedium. Die Temperatur in der Wirbelschicht beträgt etwa 750⁰C. Der Druck im Gesamtsystem kann jeweils zwischen 1 und 25 bar liegen.

Der aus der Kohle freigesetzte Schwefel wird mit dem CaO zu CaS umgesetzt. Die festen Vergasungsrückstände, bei denen es sich Im wesentlichen um Asche, CaS und Restmengen an festem Kohlenstoff handelt, werden über eine Schleuse 6 unterhalb der Wirbelschicht 2 abgezogen. An die Schleuse Ist ein Reaktionsraum 7 angeschlossen. In welchem unter Zufuhr von Luft 8 das CaS zu CaSO₄ oxidiert wird. Die resultierenden festen Rückstände 9 werden ausgetragen und z. B. auf eine Deponie gegeben.

Im unteren Teil der Nachvergasungs?.one 3 wird über eine weitere Zuleitung 10 weiteres Vergasungsmittel, beispielsweise Luft und/oder Dampf, zugeführt, so daß bei Temperaturen von etwa 850° C die aus der Wirbelschicht 2 mitgerissenen kohlenstoffhaltigen Partikel und eventuell vorhandene Teere und öle weltgehend Insbesondere zu H] und CO umgesetzt werden. Das resultierende Schwachgas '.1, das noch mit einem Staubgehalt Ir; der Größenordnung von ungefähr 200 g/m^] beladen ist, strömt direkt, also ohne Wärmeverlust, In den Dampferzeuger 12 ein, dessen axiale Länge zumindest so groß Ist wie die des HTW-Vergasers 1. Der Dampferzeuger 12 weist diesem gegenüber jedoch einen wesentlich größeren Querschnitt auf.

Der Dampferzeuger 121st mit mehreren großflächigen Wärmetauschern 13 versehen. Das Frischwasser wird über den Anschluß 14 zugeführt. Der Dampf verläßt den Dampferzeuger über eine Leitung 15. Die dazu benötigte Wärme wird durch die Verbrennung des Schwachgases 11 Innerhalb des Dampferzeugers 12 gewonnen. Die hierfür erforderliche Verbrennungsluft wird dem Dampferzeuger über Zuleitungen 16 zugeführt. Durch eine entsprechende Anordnung von Wärmetauscherflächen 17 und Düsen 18 für die Verbrennungsluft wird eine Verbrennungsführung Innerhalb des Dampferzeugers 12 möglich, bei der die Verbrennungstemperaturen bestimmte Maximalwerte nicht überschreiten und die Bildung von NO_x durch Umsetzung des In der Luft enthaltenen Stickstoffs weltgehend vermieden wird. Das Schwachgas 11 wird im Dampferzeuger 12 restlos verbrannt. Die Rauchgase 19 werde: über einen Kamin 20 abgeleitet. Wenn Vergaser und Esrnpferceuger unter erhöhtem Druck betrieben werden, wird das Rauchgas 19 nach Entfernung der In Ihm noch enthaltenen Feststoffe über eine nicht dargestellte Turbine geführt und dort entspannt. Dies trägt zur weiteren Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Anlage bei.

Selbstverständlich können Im Rauchgasstrom noch weitere Wärmetauscher vorgesehen sein, um die fühlbare Wärme des Rauchgases In üblicher Welse, also beispielsweise zur Erwärmung des SpelsewassersM, zu nutzen.

Das folgende Ausführungsbeispiel basiert auf der Größe für eine erste zu errichtende Anlage. Spätere Anlagen werden für wesentlich größere Leistungen ausgelegt sein.

In einem HTW-Vergaser 1 wurden 35,6 t/h feingemahlene und auf einen Wassergehalt von 12* vorgetrocknete Braunkohle bei Temperaturen um 750° C und Drücken von 10 bar vergast. Als Vergasungsmittel 5 wurden In der gleichen Zelt 77,3 t/h Luft und 9,3 t/h Dampf zugeführt. Bei der Vergasung wurden 115,8 t/h Schwachgas 11 mit Temperaturen um 850° C erzeugt. Das Schwachgas 11 wies die folgende Zusammensetzung an Gasbestandteilen auf: 17,6 Vol.-« CO; 17,0 Vol.-« Hj; 2,0 Vol.-« CH₄; 10,3 Vol.-« COi; 44,8 Vol.-« N₂; 8,3 Vol.-« H₂O und enthielt eine kleine Menge an H₂S, sowie zusätzlich noch 200 g/m¹ Staub. Das Schwachgas 11 wurde Im Dampferzeuger 12 durch Zufuhr von 148 t/h Verbrennungsluft 16 bei Verbrennungstemperaturen unterhalb 800° C zu Rauchgas 19 verbrannt. Die Verbrennung Im Dampferzeuger 12 erfolgte ebenfalls bei Drücken In der Größe von ungefähr 10 bar. Bei dieser Verbrennung wurden aus 215,8 t/h Frischwasser 14 215,? r/h Dampf IS erzeugt. Das Rauchgas wurde In einer Gasturbine etwa auf Umgebungsdruck entspannt. Die Stromabgabe der Anlage betrug bO MW. Der Gesamtwirkungsgrad der Anlage betrug 35,7%. Daneben wurden vom Gsunde der Wirbelschicht 2 6,7 t/h Asche abgezogen. In der noch 488 kg/h Kalk In Form von CaO enthalten waren. Der Kalk war zusammen mit der Kohle als Gemisch 4 In die Wirbelschicht 2 eingetragen worden und hatte den aus der Braunkohle freigesetzten Schwefel an sich gebunden. Durch Zufuhr von Luft durde der In die Asche eingebundene Schwefel innerhalb des Reaktionsraumes 7 bei 800° C zu 790,3 kg/h CaSO₄ (Gips) umgewandelt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erzeugen von Dampf In einem Wärmetauscher unter Verwendung von festen, feinkernigen, kohlenstoffhaltigen Materialien, die In einer Wirbelschicht vorzugsweise unter erhöhtem Druck zur Erzeugung eines brennbaren Produktgases unter Verwendung von auch endotherme Umsetzungen bewirkender Vergasungsmittel einem Vergasungsprozeß unterzogen werden, unter Nutzung von fühlbarer Wärme der beim Vergasungsprozeß entstehenden Produktgase, wobei feste Vergasungsrückstände unterhalb des Wirbelbettes abgezogen werden und das Produktgas mit In Ihm noch enthaltenen Feststoffpar- is tlkeln direkt dem Dampferzeuger-Wärmetauscher zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß es zusammen mit den brennbaren Feststoffpartikeln in diesem Dampferzeuger-Wärmetauscher (12, 13) verbraEsi wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produktgas unter Einhaltung von Verbrennungstemperaturen bis etwa 1000° C In mehreren Stufen unter jeweils reduzierenden Bedingungen zunächst teilverbrannt und In einer letzten Stufe unter oxidierenden Bedingungen vollständig umgesetzt wird.

3. Vorrichtung zur Dampferzeugung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Wirbelschicht-Vergaser (1) unmittelbar der Dampferzeuger-Wärmetauscher (12, 13) mit den Einrichtungen zum Verbrennen ties aus Jer Wirbelschicht (2) zuströmenden brennbares. Produktgases und der darin vorhandenen brennbaren Festste "partikel anschließt.

35