DE3933529A1 - Verfahren und anlage zur dampferzeugung, insbesondere in heizkraftwerken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dampferzeugung, insbesondere in Heizkraftwerken, mittels Verbrennung fester Brennstoffe, insbesondere Kohle, durch ein Wirbel­ schichtverfahren, bei dem in einer die Brennstoffe umfas­ senden Wirbelschicht die Verbrennung bei - verhältnismä­ ßig niedrigen - Temperaturen bis zu ca. 900°C erfolgt, wobei den Gasen oberhalb des Wirbelbettes zusätzlich Wärme zugeführt wird, sowie eine Anlage zur Dampfer­ zeugung mittels Verbrennens fester Brennstoffe in einem stationären Wirbelschichtkessel, wobei in dem Kessel oberhalb einer Wirbelschicht, in der Regel aus Kohle und Kalk, ein Freiraun für die erzeugten Heizgase gebildet ist. Bei Kohle als festem Brennstoff, also einem schwe­ felhaltigen Material, wird sich bildendes SO₂ mittels des Kalks zu Kalziumsulfat umgesetzt.

Die Wirbelschichttechnik findet in der Praxis insbeson­ dere in Heizkraftwerken Anwendung mit dem Ziel, die Nach­ behandlung von Rauchgasen zur Schadstoffreduktion zu ver­ meiden, indem man die Verbrennung der festen Brennstoffe regelmäßig bei niedrigen Temperaturen um 850°C durch­ führt. Hierdurch erreicht man, daß einerseits kein bzw. kaum thermisches Stickoxid gebildet wird und anderer­ seits beim Verbrennungsprozeß von Kohle sich bildendes SO₂ an Kalkstein optimal zu Kalziumsulfat umgesetzt wird. Als Nachteil der Verbrennung bei niedrigen Tempera­ turen ergibt sich jedoch ein höherer Ausstoß an giftigem Kohlenmonoxid als bei herkömmlichen Rost- oder Kohle­ staubfeuerungen.

Der in der Praxis übliche atmosphärische, stationäre Wir­ belschichtkessel bildet infolge der Wirbelschicht einen chemischen Reaktor in einem Dampfkessel. Durch die Wär­ meabfuhr aus der Wirbelschicht an die Heizflächen kann der wichtigste Parameter, die Temperatur der Wirbel­ schicht, nicht unabhängig von der Kesselleistung verän­ dert werden. Zun anderen kann man die Temperatur im Wir­ belbett nicht über 900°C steigern, weil dann die Ascheerweichung einsetzt, die die Wirbelschichtverbren­ nung zum Erliegen bringt. Zur Vermeidung dieser Nach­ teile hat man eine zirkulierende Wirbelschicht entwic­ kelt, bei der der Wirbelschicht-Reaktor, der Dampfkessel und der Aschekühler getrennte Apparate sind. Diese Tech­ nologie ist in den Anschaffungskosten erheblich teuerer und daher nur für größere Dampfkessel (über 30 t/h) wirt­ schaftlich einsetzbar.

Der Mangel dieses allgemeinen Standes der Technik in der Praxis ist, daß die vorhandenen atmosphärischen, statio­ nären Wirbelschichtkessel den verschärften Forderungen des Immissionsschutzes speziell hinsichtlich des Kohlen­ monoxidwertes im Rauchgas von höchstens 250 mg/m³ beson­ ders im Teillastbereich nicht mehr genügen, so daß neue stationäre Wirbelschichtkessel zur Verbrennung von Kohle insbesondere im Bereich kleiner Leistungen nicht mehr wirtschaftlich gebaut werden können.

Das Problem der Nachverbrennung von Schadstoffen ist auf den verschiedensten Gebieten bekannt.

So haben ein Verfahren sowie eine Anlage zur Dampferzeu­ gung der eingangs beschriebenen Art (DE-PS 32 18 724) das Ziel, die Menge der aus der Wirbelschicht austreten­ den, unverbrannten Brennstoffteilchen wesentlich zu ver­ ringern, um die Belastung des nachgeschalteten Filters zu reduzieren. Mit anderen Worten sollen Feststoffteil­ chen nachverbrannt werden. Diese Verbrennung erfolgt im Bereich eines eingezogenen Strömungsquerschnitts des Rauchgaszuges, also in einer Zone, die maßgeblich vom Wirbelbett entfernt liegt und in der bereits eine we­ sentliche Verringerung der Temperatur der Abgase nach Austritt aus dem Wirbelbett stattgefunden hat. Um solche Feststoffteilchen zu verbrennen, ist eine erhebliche Er­ höhung der Temperatur und vor allem auch die Verengung des Querschnittes für den Gaszug erforderlich, um die Feststoffteilchen durch die Flamme zu schicken und sie verbrennen zu können. Es muß zu diesem Zweck im Bereich der Nachbrenner im Mittel eine Temperatur von wesentlich mehr als 900°C herrschen, um die Verbrennung der Fest­ stoffteilchen vollständig durchzuführen zu können. Diese Temperatur liegt in der Regel zwischen 1200 und 1600°C und die Teilchen müssen bei dieser Temperatur einige Zeit verweilen. Dafür ist ein relativ großer Raum erfor­ derlich. Im Anschluß an diese Nachverbrennung sinken dann die Temperaturen durch Wärmeabfuhr an den Heizflä­ chen. Dieses Verfahren zielt auf die Verbrennung von Feststoffteilchen, was konstruktive Vorkehrungen wie eine Verengung des Kesselquerschnittes und eine längere ungekühlte Verweilstrecke hinter der Flammenzone zur Er­ zielung eines genügenden Ausbrandes erforderlich macht. Nachteilig ist, daß durch die notwendigen hohen Tempera­ turen und den Luftüberschuß thermisches Stickoxid gebil­ det wird.

Weiterhin ist ein Verfahren bekannt (JP 59-81 409), bei dem im Freiraum oberhalb eines Wirbelbettes unverbrannte Bestandteile, also sowohl gasförmige als auch feste, durch Zufuhr von Gas in Flammenform verbrannt werden sollen. Zu diesem Zwecke wird einerseits eine trockene Destillation von Kohle durchgeführt und das dadurch ent­ stehende Gas über eine Klappe der Brennerdüse zugeführt. Als weitere Heizgasquelle dient ein Kohlenvorratsbehäl­ ter, von dem Abgas auf dem Wege über eine Klappe einer weiteren Brennerdüse zugeführt wird. Ziel dieses Verfah­ rens ist es, die Wirbelbettemperatur auf 700° abzusen­ ken, um auf jeden Fall die Entstehung thermischer Sticko­ xide, also zusätzlicher Stickoxide zu denen, die beim thermischen Zerfall der Kohle während der Verbrennung in­ folge der in dieser vorhandenen Stickstoffverbindungen entstehen, zu vermeiden. Diese ohnehin in der Kohle vor­ handenen Stickstoffverbindungen sind nicht zu verwech­ seln mit den thermischen Stickoxiden, die bei der Ver­ brennung bei hohen Temperaturen durch die Verbindung des Luftstickstoffs mit dem Luftsauerstoff entstehen und ggf. durch Sekundärverfahren beseitigt werden müssen.

Weiterhin ist eine Zweistufen-Feuerungsanlage mit einer ersten Stufe in Form einer Pyrolyse- oder Schwelkammer und einer zweiten Stufe in Form einer Nachverbrennungs­ kammer bekannt (DE-A1 35 03 603), bei der letztere als Zyklon ausgebildet ist. Anders wäre die Abscheidung der Asche nicht möglich. Ziel der Zweistufigkeit der Verbren­ nung ist es, das Verdampfen von Schwermetallen, wie sie insbesondere bei der Müllbeseitigung anfallen, zu vermei­ den. Damit soll erreicht werden, daß an sich nicht ver­ brennbare, unweltbelastende Stoffe wie Schwermetalle in die Gasphase gebracht und mit dem Abgas in die Umwelt ab­ gegeben werden können oder durch aufwendige andere Ver­ fahren wieder abgeschieden werden müssen. Bei dem Zwei­ stufen-Verfahren entstehen solche Gefahren durch die nie­ drige Temperatur in der ersten Verbrennungskammer nicht, und diese Stoffe können über die Asche ausgeschieden werden. Die niedrige Luftzufuhr dient mithin lediglich dazu, die Temperaturen in der Schwelkammer niedrig zu halten. Mit anderen Worten wird hier die reduzierte Luft­ zuführung zur Temperatursteuerung, und zwar mit dem Zwec­ ke der Vermeidung eines zu hohen Gasdruckes der Schwerme­ talle, eingesetzt. Aufgrund der geringen Luftzufuhr in der ersten Verbrennungsstufe und den damit - gezielt - niedrigen Temperaturen ergeben sich hohe unverbrannte An­ teile, so daß in der zweiten Verbrennungsphase nicht nur die zur Verbrennung erforderliche Luft zuzuführen ist, sondern zusätzlich eine besonders gute Vermischung der Luft mit den zu verbrennenden Gasen erfolgen muß, wes­ halb auch ausdrücklich die Anordnung eines technisch auf­ wendigen Zyklons erforderlich ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Wirbelschichttechnik sowie diese realisierende Anlagen, also solche zur Dampferzeugung unter Einsatz von atmo­ sphärischen, stationären Wirbelschichtkesseln so zu ver­ bessern, daß sie hinsichtlich ihres Emissionsverhaltens die Forderungen nach optimaler Reinhaltung der Luft er­ füllen.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs dargelegten Ver­ fahren dadurch gelöst, daß die zusätzliche Wärmezufuhr in dem Freiraum oberhalb des Wirbelbetts erfolgt, die dem Wirbelbett zuzuführende Luftmenge unter Beibehaltung der Verbrennungstemperatur unter die stöchiometrisch er­ forderliche Lufmenge gedrosselt und die Luftzufuhr zum Freiraum gesteigert wird, während bei der Anlage die Lösung dadurch erfolgt, daß dem Freiraum mindestens je eine Wärmequelle, beispielsweise ein Brenner, zur zusätz­ lichen, gezielten Energiezufuhr und eine Einrichtung zur Zufuhr von Zusatzluft in die im Freiraum befindlichen Verbrennungsgase zugeordnet ist. Durch diese Maßnahmen läßt sich, allgemein betrachtet, eine Optimierung der Verhältnisse im Wirbelbett hinsichtlich der Temperaturen und der Abgasbestandteile (letztere im Hinblick auf die Umweltbelastung) erreichen. Dabei ist zu beachten, daß die Wirbelbettemperatur nicht über ca. 900° gefahren werden darf, um vorrangig ein Sintern der Asche (mit der Folge der Klumpenbildung) zu vermeiden und außerdem die Stickoxidbildung in Grenzen zu halten. Zwar würde bei Temperaturen über 900° im Raun über dem Wirbelbett eine hinreichende Oxydation von CO zu CO₂ erfolgen können, jedoch nur mit dem vorerwähnten Nachteil der Klumpenbil­ dung. Nach der Erfindung kann hingegen durch die Wärmezu­ fuhr zu dem Freiraum die Freiraumtemperatur vom Betrieb der Wirbelschichttemperatur unabhängig gemacht und für sich gezielt beeinflußt werden. Durch die Erhöhung der Freiraumtemperatur kann die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Umsetzung des Kohlenmonoxids mit Sauerstoff zu Koh­ lendioxid erheblich gesteigert werden. Hierdurch er­ reicht man, wie Versuche gezeigt haben, erheblich niedri­ gere Gehalte an Kohlenmonoxid im Abgas, und man kann die Temperatur der Wirbelschicht bei niedrigen Werten belas­ sen.

Bei dem Freiraum handelt es sich um eine Zone des Kes­ sels, die zum durch die Wirbelschicht bedingten Quer­ schnitt des Brennraumes gehört, also nicht eine Einen­ gung im Abgas-Rauchgaskanal ist, sondern ein Raum, in dem die Brennstoffteilchen infolge Verminderung der Gas­ geschwindigkeit dazu gebracht werden, wieder - infolge Schwerkraft - in das Wirbelbett zurückzufallen. Wie hoch der Freiraum ist, hängt letztlich von den konstruktiven Gegebenheiten ab.

Infolge der Drosselung der dem Wirbelbett zuzuführenden Luftmenge unter die stöchiometrisch erforderliche und der Steigerung der Luftzufuhr zum Freiraum unter gleich­ zeitiger Wärmezufuhr zu diesem ergibt sich eine beson­ ders zweckmäßige Möglichkeit der Reduzierung der NO _x -Wer­ te, und zwar vor allem im Hinblick auf den nach neuen Richtlinien vorgeschriebenen Wert von weniger als 500 mg/m³ Rauchgas. Man nutzt dabei die reduzierende Wirkung des Kohlenmonoxids auf die Stickoxide, wobei zunächst durch Drosselung der Luftzufuhr zum Wirbelbett die CO-Bildung bewußt hochgetrieben wird, damit aufgrund der Gleichgewichtsverhältnisse eine stärkere Reduktion der Stickoxide zu elementarem Stickstoff durch das Kohlenmo­ noxid stattfindet und dann das überschüssige Kohlenmono­ xid mit der Zusatzluft an den Wärmequellen im Freiraum zu Kohlendioxid umgesetzt wird. Im Gegensatz zu der aus der DE-A1-35 03 603 bekannte Verfahrensweise erfolgt bei der Erfindung die Drosselung der Luftzufuhr zum Wirbel­ bett nicht zum Zwecke der Herabsetzung der Wirbelbettem­ peratur. Vielmehr soll das Wirbelbett immer innerhalb der wirtschaftlich sinnvollen Grenzen, also bei ca. 850°, gehalten werden, um gerade unterhalb der Sinter­ grenze zu bleiben und in der Auslegung der Anlage deren Größe auf einem Minimum halten zu können. Die Temperatur im Wirbelbett soll ausdrücklich nicht abgesenkt werden, weil durch eine solche Temperaturabsenkung die Reak­ tionsgeschwindigkeit bei der Umsetzung von CO und NO _x zu CO₂ und N₂ absinken würde.

Auf diese Weise wird es möglich, daß insgesamt die atmo­ sphärischen, stationären Wirbelschichtkessel für alle Leistungsklassen die gesetzlich vorgeschriebenen Werte sowohl für CO von weniger als 250 mg/m³ Rauchgas als auch für NO _x von weniger als 500 mg/m³ bei Vollast und Teillast einhalten können.

Die gegenständlichen Merkmale der Anlage lassen sich im übrigen sehr vorteilhaft im Wege der Nachrüstung beste­ hender Kesselanlagen verwirklichen.

Um die Abkühlung der Rauchgase zu vermeiden, kann in be­ vorzugter Ausführung des Vorhabens die Wärmezufuhr unmit­ telbar über der Wirbelschicht erfolgen.

Die durch die unterstöchiometrische Luftzufuhr bewirkte Temperaturabsenkung kann vorteilhaft durch erhöhte Kohle­ zufuhr zum Wirbelbett kompensiert werden. Dadurch tritt kein Energieverlust ein, weil man das im Wirbelbett nicht genutzte Energiepotential des Kohlenstoffs bei der Oxydation des CO im Freiraun zurückgewinnt. Diese Ver­ schiebung der Energieumsetzung vom Wirbelbett in den Freiraum bewegt sich allerdings nur in der Größenordnung von 1-3%.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist in der schema­ tischen Zeichnung beispielhaft eine Ausführungsmöglich­ keit einer Dampferzeugungsanlage gezeigt.

Man erkennt im Schnitt einen Wirbelschichtkessel 1 her­ kömmlichen Aufbaus mit einem im unteren Teil angeord­ neten Wirbelbett aus Kohle und Kalk, in dem sich beim Verbrennungsprozeß bildendes SO₂ zu Kalziumsulfat umge­ setzt und mit der durch einen Pfeil gekennzeichneten Asche abgezogen wird. Hier wird Luft über eine Luftzu­ fuhreinrichting 6 geregelt zugeführt. Oberhalb des Wir­ belbetts befindet sich für die aufsteigenden Verbren­ nungsgase ein Freiraum 3 sowie die übliche Dampferzeu­ gungsanlage, die hier nicht näher beschrieben zu werden braucht. In den Freiraum münden je zwei Brenner 4, die hier mit Erdgas betrieben werden, sowie zwei Zusatzluft- Zufuhreinrichtungen 5. Die Brenner 4 dienen der Erhöhung der Freiraumtemperatur; an ihrer Stelle können natürlich auch beliebige andere Wärmequellen, z.B. elektrische, zum Einsatz gelangen. Mit ihrer Hilfe wird die Freiraum­ temperatur auf Werte über 900°C gesteigert und eine wir­ kungsvolle Umsetzung von CO im Rauchgas zu unschädlichem CO₂ erzielt. Durch eine Reduzierung der Luftzufuhr über die Luftzufuhreinrichtung 6 wird zunächst die CO-Bildung erhöht, um die bei der Verbrennung im Wirbelbett anfal­ lenden Stickoxide zu elementarem Stickstoff umzuwandeln, während anschließend das überschüssige CO durch Luftzu­ fuhr über die Zusatzluft-Zufuhreinrichtungen 5 und Wärme­ zufuhr über die Wärmequelle 4 wiederum zu CO₂ umgesetzt wird.

Es ist selbstverständlich möglich, statt je zwei Wärme­ quellen 4 und Luftdüsen 5 auch nur eine einzusetzen, wobei dann die sich ergebenden Schadstoffwerte etwas höher liegen, wie der folgenden Versuchsauswertung einer Anlage herkömmlicher Anordnung, d.h. ohne Brenner und Zu­ satzluft-Zufuhr, sowie mit jeweils einem und zwei Bren­ nern entnommen werden kann:

Claims (4)

1. Verfahren zur Dampferzeugung, insbesondere in Heiz­ kraftwerken, mittels Verbrennung fester Brennstoffe, insbesondere Kohle, durch ein Wirbelschichtverfah­ ren, bei dem in einer die Brennstoffe umfassenden Wirbelschicht die Verbrennung bei niedrigen Tempera­ turen bis zu ca. 900°C erfolgt, wobei den Gasen oberhalb des Wirbelbettes zusätzlich Wärme zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wärmezufuhr in dem Freiraum ober­ halb des Wirbelbetts erfolgt, die dem Wirbelbett zuzuführende Luftmenge unter Beibehaltung der Ver­ brennungstemperatur unter die stöchiometrisch erfor­ derliche Lufmenge gedrosselt und die Luftzufuhr zum Freiraum gesteigert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wärmezufuhr unmit­ telbar über der Wirbelschicht erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzu­ fuhr zum Wirbelbett zum Ausgleich einer Temperaturab­ senkung bei unterstöchiometrischer Luftzufuhr erhöht wird.

4. Anlage zur Dampferzeugung mittels Verbrennens fester Brennstoffe in einem stationären Wirbelschichtkes­ sel, wobei in dem Kessel oberhalb einer Wirbel­ schicht, in der Regel aus Kohle und Kalk, ein Frei­ raum für die erzeugten Heizgase gebildet ist, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Freiraum (3) mindestens je eine Wärmequelle (4), bei­ spielsweise ein Brenner, zur zusätzlichen, gezielten Energiezufuhr und eine Einrichtung (5) zur Zufuhr von Zusatzluft in die im Freiraum befindlichen Ver­ brennungsgase zugeordnet ist.