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WO2008095984A2 - Verfahren und vorrichtung zum verbrennen fester brennstoffe - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum verbrennen fester brennstoffe Download PDF

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Publication number
WO2008095984A2
WO2008095984A2 PCT/EP2008/051507 EP2008051507W WO2008095984A2 WO 2008095984 A2 WO2008095984 A2 WO 2008095984A2 EP 2008051507 W EP2008051507 W EP 2008051507W WO 2008095984 A2 WO2008095984 A2 WO 2008095984A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
combustion
combustion chamber
zone
solid fuels
dust
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/051507
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2008095984A3 (de
Inventor
Bernd Meyer
Michael Trompelt
Mathias Rieger
Hardy Rauchfuss
Original Assignee
Technische Universität Bergakademie Freiberg
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 Technische Universität Bergakademie Freiberg filed Critical Technische Universität Bergakademie Freiberg
Publication of WO2008095984A2 publication Critical patent/WO2008095984A2/de
Publication of WO2008095984A3 publication Critical patent/WO2008095984A3/de

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Classifications

    • 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
    • F23C10/005—Fluidised bed combustion apparatus comprising two or more beds
    • 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
    • F23C10/02—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
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/007—Supplying oxygen or oxygen-enriched air
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for burning solid fuels with combustion agents containing free oxygen, in particular for an oxyfuel process.
  • the combustion of a carbonaceous fuel produces a nearly pure CO 2 gas.
  • the aim is to convert the chemically combined heat of the fuel (calorific value) completely into sensible heat, which is used in the steam-power process to generate electrical energy.
  • the combustion of the fuel takes place in a dust firing with supply of nitrogen-reduced combustion air (high concentration of oxygen).
  • DE 10 2004 059 360 proposes a "process for burning fossil fuel in power plants operating according to the oxyfuel process", which is characterized in that a known melting chamber furnace is used as the furnace, the furnace being designed in this way and operated at such temperatures that at least a portion of the ash is molten and discharged in this state from the furnace.
  • the theory of partial oxidation known from gasification basically gives the expert no indication as to how to make the complete oxidation of solid fuels under the condition of the extensive to complete conversion of the carbon of the solid fuels to CO 2 .
  • the object of the invention is to achieve a reduction or avoidance of the flue gas recirculation in processes for the combustion of solid fuels with free oxygen-containing combustion agents and thereby plant and operational simplifications and to increase the efficiencies and reduce consumption.
  • the object is achieved by a method for burning solid fuels with free oxygen-containing combustion agents in the dust with dust, in the form of particulate matter and grit laden gases leave the combustion chamber on the top side and predominantly coarse-grained products the combustion chamber as a bottom product on the underside, wherein the combustion chamber the combustion medium necessary for the complete combustion, and characterized in that the combustion chamber is separated into at least one first combustion zone, which is designed as a moving bed, and at least one second combustion zone located above, which formed as a strongly expanded or circulating fluidized bed is that the separation of the combustion chamber by at least one lateral, directed into the middle of the combustion chamber injection of the required for the extensive combustion of the solid fuels second Verb
  • the second combustion agent having an oxygen content> 50 Vo 1 .-% and are injected at a speed of> 10 m / s to 100 m / s, that at the lower end of the first combustion zone required for the virtually complete combustion first Burning in countercurrent be blown, wherein the oxygen content of the gas mixture is
  • the environment extends to a radius around the entry of max. about 1 m. Within this radius, experience has shown that slagging preferably occurs because, due to the high carbon contents, excessive temperature excesses to values above the ash softening temperatures can occur particularly quickly here.
  • the combustion means ie the first and / or the second combustion means may contain, in addition to oxygen, carbon dioxide, water vapor, NH 3 and / or purge gases. These secondary constituents can be oxidized substantially free of pollutants at the temperatures and oxygen concentrations occurring in the process according to the invention (NH 3 , purge). Gases) or used to control the combustion processes (carbon dioxide, water vapor).
  • the combustion process takes place advantageously in a top-cylindrical and bottom-cylindrical or conically narrowing combustion chamber open on both sides.
  • the combustion chamber can also have a square or rectangular flow cross-section.
  • the combustion chamber is subdivided into at least one first combustion zone, whereby it is designed as a moving bed, and into at least one second combustion zone situated above it, this being constructed as a strongly expanded or circulating fluidized bed.
  • the separation of the combustion chamber is effected by at least one lateral, directed into the middle of the combustion chamber injection of the required for the extensive combustion of the solid fuel predominantly free oxygen-containing second combustion agent.
  • the injection angle is 20 ° to 100 °, preferably 45 ° to 90 °.
  • the injection angle .alpha..sub.i is the angle between the injection device (generally its geometric axis) and the inner contour of the combustion chamber seen from the vertex of the angle.
  • the injection of the second combustion agent takes place with a, compared with larger apparatuses, more obtuse injection angle, so that the opposite inner surface of the combustion chamber jacket is not illuminated with free oxygen.
  • the fuels are introduced above the top of the first combustion zone into the combustion chamber, especially into the second combustion zone.
  • the entry is so far above that there is an intensive turbulence and combustion of the fuels with the rising gases of the first and second combustion means.
  • the fuels are introduced at a distance of 1 m to 10 m, more preferably at a distance of 2 m to 5 m, above the upper end of the first combustion zone in the combustion chamber.
  • the supply of solid fuels takes place at an entry angle of 90 ° to 180 °, preferably from 100 ° to 160 °.
  • the entry angle ⁇ 2 is the angle between fuel input (in general its geometric axis) and the inner contour of the combustion chamber seen from the vertex of the angle downwards. An approximately right angle, to the inner contour of the combustion chamber, favors little Appa- rate overall heights.
  • a blunt to elongated angle is advantageous.
  • the supply of the solid fuels may take place at the predetermined distance above the upper end of the first combustion zone at different heights and distributed over the circumference of the combustion chamber jacket.
  • the extensive combustion of the solid fuels takes place in the second combustion zone.
  • the strong fluidization is required to evenly distribute the carbon in the second combustion zone.
  • the uniform distribution is a prerequisite for the formation of so - called hot spot zones in the fluidized bed, in which the ash melts predominantly or completely, and as a consequence, disruptive slagging may occur.
  • the supply of the second combustion means takes place at a high injection rate, since the combustion medium is oxygen predominant fluidizing agent and the oxygen of the second combustion agent is also to reach the center of the combustion chamber of the second combustion zone.
  • the injection rate of the second combustion medium is over 10 m / s for small plants and up to 100 m / s for large plants.
  • the conversion of the carbonaceous solid fuel in the second combustion zone is carried out at temperatures between 750 0 C and 950 0 C, which locally in the areas in which oxygen-containing second combustion agent is injected, higher temperatures may occur, so that, depending on the melting point of the ash the solid fuels may be granulated at least a portion of the ash constituents.
  • These requirements can z. B. be present when burning Rhenish lignite whose ash has a melting point of 1,250 0 C.
  • the first combustion means are used for the most complete possible combustion of the remaining carbonaceous constituents and for the oxidation of the ashes in a first combustion zone, this being designed as a moving bed.
  • the first combustion means may be injected in a plurality of superimposed regions and / or at the lower end of the first combustion zone. If necessary, it is possible to inject first combustion agents of different composition, for example consisting of water, (V vapor, O 2 / CO 2 and VCC vapor mixtures in the individual planes.)
  • first combustion agents for example consisting of water, (V vapor, O 2 / CO 2 and VCC vapor mixtures in the individual planes.)
  • the use of different first combustion agents at different heights in the first combustion zone may occur show that on the one hand a most extensive implementation of carbon-containing residues and possibly also an oxidation of the ash or granules to take place, on the other hand, however, the temperature is kept below the ash melting point and an end product is to be discharged from the first combustion zone, which cooled as far is that it can be handled with the usual means of transport, equipment, etc.
  • the composition and amount of the first combustion agent are adjusted so that the carbon content of the first combustion zones at the lower end of the Verbrennungsr Aumes leaving bottom product is reduced to the values required for landfilling. Furthermore, the final residue, which consists essentially of ash and ash granules, is to be cooled before it leaves the lower end of the first combustion zones of the combustion chamber.
  • the rate at which the carbonaceous ingredients, ashes and ash granules, e.g. B. by means of a screw conveyor, are discharged from the lower end of the first combustion zones of the combustion chamber is essentially determined by the residence time of the solids and dusts in the combustion chamber, which is required at the given conditions, in particular temperatures, to the desired carbon conversion to reach.
  • solid matter and dust circulate in the combustion chamber, or coarse dust is recirculated via the separator into the second combustion zone.
  • the solid fuels introduced into the upper region of the second combustion zone form larger amounts of dust when incinerated, which is only incompletely separated due to the fineness in the separator.
  • the undeclared particulate matter usually significantly ⁇ 1% of the total amount of dust entrained, so it is not returned via the separator, while the coarse dust is recycled through the separator.
  • This separation is particularly beneficial for the method according to the invention.
  • the melting points of the ashes are thus higher, and consequently the risk of malfunctioning sintering, agglomerations or slagging in this particularly sensitive region of high oxygen concentrations is markedly reduced.
  • the inventive method differs from other methods of combustion in the circulating fluidized bed, in which the fuel at the level of the entry of / required for combustion oxygen / air are supplied and fine dust and coarser ash constituents are present side by side and can react with melting point reduction.
  • the grain spectrum of the solid inventory in the second combustion zone shifts to larger grain diameters. This means that the gas flow velocity can be increased while maintaining the same solids discharges, which increases the specific plant performance.
  • the dust-laden gases are discharged from the combustion chamber.
  • the dust entrained with the gases consists essentially of residual coke with a C content of ⁇ 2% by mass.
  • a large part of the dust of the gases is separated as coarse dust and fed into the combustion chamber above the combustion agent introduction of the second combustion agent into the second combustion zone.
  • the feed of the separated coarse dust occurs at a distance of 1 m to 10 m, preferably 2 m to 5 m, above the upper end of the first combustion zones.
  • the return of the separated coarse dust is carried out in an entry angle of 90 ° to 180 °, preferably from 100 ° to 160 °.
  • the entry angle Ct 3 is the angle between coarse dust entry (in general its geometric axis) and the inner contour of the combustion space seen from the vertex of the angle downwards.
  • the erfmdungssiee method ensures that carbon is present with a uniform concentration distribution at a low concentration level in the combustion chamber, mainly with a concentration of ⁇ 5 Ma. -% to even ⁇ 2 Ma. -% in the upper and lower part of the second combustion zone.
  • the bottom of the combustion chamber is preferably designed to be open and free of internals.
  • biomasses including sewage sludge, lignite, coal or anthracite and mixtures thereof may be used for the process according to the invention.
  • a device for burning solid fuels with free-oxygen-containing combustion agents which consists essentially of a coolable pressure-resistant reactor housing with a ash discharge at the foot, a combustion gas outlet at the top of the combustion reactor and in which the combustion chamber is separated into at least a first Combustion zone, which is designed as a moving bed, and in at least one second combustion zone located above it, which is designed as a highly expanded or circulating fluidized bed.
  • the separation of the combustion chamber is carried out by at least one lateral, directed into the middle of the combustion chamber injection device required for the substantial combustion of solid fuels second combustion means.
  • the injection device is designed so that the second combustion agent can be injected with an oxygen content of> 50% by volume and at a rate of> 10 m / s to 100 m / s.
  • the introduction of fuel is arranged so far above the upper end of the first combustion zone that at the level of the entry and its surroundings no hot spot zones are formed in which ash melts predominantly or completely.
  • the injection device consists essentially of a plurality of nozzles uniformly arranged in a plane on the circumference of the device.
  • the injection angle of the nozzles for the second combustion means is 20 ° to 100 °, preferably 45 ° to 90 °.
  • the injection angle ⁇ i is the angle between the injection device (generally its geometric axis) and the inner contour of the combustion chamber seen from the vertex of the angle downwards.
  • the injection of the second combustion agent takes place with a, compared with larger apparatuses, more obtuse injection angle, so that the opposite inner surface of the combustion chamber jacket is not illuminated with free oxygen.
  • the device for injecting the first combustion agent is advantageously designed such that it permits injection in a plurality of superimposed regions and / or at the lower end of the first combustion zone.
  • the fuel entry is advantageously designed as a diagonal tube entry. It is oriented so that the supply of solid fuels in an entry angle of 90 ° to 180 °, preferably from 100 ° to 160 °.
  • the entry angle ⁇ 2 is the angle between fuel input (in general its geometric axis) and the inner contour of the combustion chamber seen from the vertex of the angle downwards. An approximately right angle, to the inner contour of the combustion chamber, favored low apparatus heights. For entry of solid fuels with poor flow behavior, a blunt to elongated angle is advantageous.
  • the fuel entry advantageously consists of several distributed on the circumference of the device in equal or different heights arranged inclined tube entries.
  • the device for returning the dust, mainly coarse Dust is arranged so that it allows the return of dust, especially coarse dust, in an entry angle of 90 ° to 180 °, preferably from 100 ° to 160 °.
  • the entry angle Ct 3 is the angle between coarse dust entry (in general its geometric axis) and the inner contour of the combustion space seen from the vertex of the angle downwards.
  • the incinerator shown in Figure 1 consists of a combustion chamber (1), which is cylindrical at the top and conically constricted at the bottom, but is open on both sides.
  • the inner diameter of the upper cylindrical portion of the reaction space is 8 m.
  • Half the cone angle is 8 °.
  • the combustion chamber (1) is subdivided into a first combustion zone (3), which is designed as a moving bed, and a second combustion zone (2) located above it, this being constructed as a circulating fluidized bed.
  • the height of the combustion chamber (1) is 30 m.
  • the separation of the combustion chamber (1) takes place by a lateral, in the middle of the combustion chamber (1) directed injection of the required for the extensive combustion of the solid fuel predominantly free oxygen second combustion means (4), wherein the second combustion means (4) with a Speed of 20 m / s is injected.
  • the injection angle ⁇ i is 60 °.
  • the supply of the second combustion means (4) is effected by 8 evenly arranged in a nozzle plane nozzles.
  • the second combustion zone (2) As a second combustion agent (4), the second combustion zone (2) a gas mixture of 90 vol .-% oxygen and 10 vol .-% carbon dioxide at a temperature of 200 0 C is supplied.
  • the thermal output of the incinerator is 250 MW (th).
  • a solid fuel (5) comes German dry brown coal with a water content of 12%, a A- scheschmelzddling of 1,250 0 C and a grain size of 0 to 4 mm are used.
  • the amount of dry brown coal used is 45 t / h and is fed to the incinerator at a temperature of 60 ° C.
  • the entry of the dry lignite takes place with the help of Screws and over 2 to 3 symmetrically distributed inclined tubes in the region of the truncated cone-shaped portion of the second combustion zone (2) at a distance (hl) of 5 m above the center of the combustion agent jet.
  • the supply takes place at an entry angle ⁇ 2 of 130 °.
  • the radial speed profile of the second combustion zone (2) shows a design typical of homogeneously fluidized fluidized beds.
  • the axial gas velocity increases slightly in the flow direction. With a combustion chamber diameter of 8 m, this is 5.2 m / s.
  • the conversion of the dry lignite takes place to 90% in the second combustion zone (2) at temperatures between 750 0 C and 950 0 C, which locally in the areas in which oxygen-containing second combustion agent (2) is injected, higher temperatures may occur, so that using the oxygen-containing second combustion means (4) at least locally occurring temperatures exceed the ash melting point of 1250 0 C and it comes to a granulation of about 10% of ash components.
  • first combustion zone (3) At the lower end of the combustion chamber (1) takes place in an open and free of internals designed first combustion zone (3) the ash discharge (7) and the supply of the required for the complete combustion of the carbon amount of first combustion agent (6), consisting of 15 vol .-% oxygen and 85 vol. 1 .-% steam, in countercurrent at a temperature of 200 0 C.
  • the first combustion agent (6) is used for the most complete possible combustion of the remaining carbonaceous constituents and for the oxidation of the ashes in a first combustion zone (3), which is designed as a moving bed. Furthermore, the coarse-grained residue is cooled as a bottom product (7), which consists essentially of ash and ash granules, before it leaves the lower end of the first combustion zone (3) of the combustion chamber (1) trouble-free.
  • the speed with which the solid residues remaining below the moving bed of the first combustion zone (3) moving from top to bottom are discharged by means of a screw conveyor from the lower end of the first combustion zone (3) of the combustion chamber (1) is essentially determined the residence time of the solids and dusts in the combustion chamber (1), which is required at the given conditions, in particular temperatures, to achieve the desired carbon conversion of 100%.
  • the dust-laden combustion gas (8) is discharged.
  • the entrained with the combustion gas dust has a carbon content of usually ⁇ 2 Ma. -% on.
  • a large part of the dust of the combustion gas primarily the coarse dust, is separated and fed to the combustion space (1) above the combustion agent injection of the second combustion agent (4) into the second combustion zone (2 ).
  • the supply of the recirculated dust (11), mainly coarse dust, takes place with a distance (h2) of 3 m above the upper end of the first combustion zone (3).
  • the return of the solid takes place in a entry angle 013 of 130 °.
  • Second combustion zone strongly expanded or circulating fluidized bed

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennen fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsmitteln, insbesondere für ein Oxyfuel-Verfahren. Das Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsmitteln gelöst, bei dem mit Staub, in Form von Feinstaub und Grobstaub, beladene Gase den Verbrennungsraum oberseitig und überwiegend grobkörnige Produkte den Verbrennungsraum als Bodenprodukt unterseitig verlassen, wobei dem Verbrennungsraum die für die vollständige Verbrennung notwendigen Verbrennungsmittel zugeführt werden, wird so geführt, dass der Verbrennungsraum getrennt wird in mindestens eine erste Verbrennungszone, wobei diese als Wanderbett ausgebildet ist, und mindestens eine darüber befindliche zweite Verbrennungszone, wobei diese als stark expandierte oder zirkulierende Wirbelschicht ausgebildet ist, dass die Trennung des Verbrennungsraumes durch mindestens eine seitliche, in die Mitte des Verbrennungsraumes gerichtete Eindüsung der für die weitgehende Verbrennung der festen Brennstoffe benötigten zweiten Verbrennungsmittel erfolgt, wobei die zweiten Verbrennungsmittel einen Sauerstoffgehalt > 50 Vol.-% aufweisen und mit einer Geschwindigkeit von > 10 m/s bis 100m/s eingedüst werden, dass am unteren Ende der ersten Verbrennungszone die für die praktisch vollständige Verbrennung benötigten ersten Verbrennungsmittel im Gegenstrom eingeblasen werden, wobei der Sauerstoffgehalt der Gasmischung auf < 50 %, vorzugsweise < 21 % bis < 10 % begrenzt wird, und dass die festen Brennstoffe soweit über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone in den Verbrennungsraum eingetragen werden, dass sich in Höhe des Eintrags und dessen Umgebung keine hot spot - Zonen bilden, in denen Asche überwiegend oder vollständig schmilzt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Verbrennen fester Brennstoffe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennen fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsmitteln, insbesondere für ein Oxyfuel- Verfahren.
Im Oxyfuel- Verfahren wird bei der Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes ein nahezu reiner CO2-StTOm erzeugt. Dabei besteht das Ziel, die chemisch gebundene Wärme des Brennstoffes (Heizwert) vollständig in fühlbare Wärme umzuwandeln, die im Dampf- Kraft-Prozess zur Erzeugung von Elektroenergie genutzt wird. Die Verbrennung des Brennstoffes erfolgt in einer Staubfeuerung unter Zufuhr von stickstoffreduzierter Verbrennungsluft (hohe Konzentration an Sauerstoff).
Bei Einsatz des Verfahrens wird eine nachfolgende CO2-Abscheidung angestrebt, um dieses weiter zu verwenden, zu speichern oder zu deponieren. Durch die Elimination von N2 aus der Verbrennungsluft herrscht nach der Verbrennung ein hoher CO2-Partialdruck im Rauchgas. Dieser ist für die Abtrennung der meisten Störstoffe aus dem Rauchgas von Vorteil. Das mit der Verbrennung anfallende Wasser kann leicht auskondensiert werden.
Das Oxyfuel- Verfahren wird bei Temperaturen unterhalb der Ascheschmelztemperatur betrieben. Um dies zu gewährleisten, müssen sehr große Mengen an Rauchgas staubfrei im Pro- zess rezirkulieren. Weiterhin besteht der Nachteil, dass die Asche zum einen noch unverbrannten Kohlenstoff enthält und zum anderen nicht als verwertbares Material zur Verfügung steht. Hierzu wird in Patent DE 10 2004 059 360 ein „Verfahren zur Verbrennung von fossilen Brennstoff in nach dem Oxyfuel-Prozess arbeitenden Kraftwerken" vorgeschlagen, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass als Feuerung eine an sich bekannte Schmelzkammerfeuerung verwendet wird, wobei die Feuerung derart ausgebildet ist und bei solchen Temperaturen betrieben wird, dass wenigstens ein Teil der Asche schmelzflüssig anfällt und in diesem Zustand aus der Feuerung abgeführt wird.
Die genannten bekannten Lösungen sehen die Verbrennung in Staubfeuerungen mit trockener und nasser Entaschung vor. Beide Lösungen haben den Nachteil einer aufwendigen Cθ2-Rezirkulation, die bei der Schmelzkammerfeuerung zwar gemindert, aber immer noch erheblich ist. Daher bleiben die Nachteile des hohen anlagentechnischen Aufwandes für die Rezirkulationswämetauscher, der hohen Betriebskosten und Eigenverbrauchs des Rezirkulationsverdichters, der Verkomplizierung des Prozesses und dadurch schlechtere Betriebsflexibilität (Lastwechselverhalten), der erhöhten Korrosionen und Ansatzbildungsneigung durch Karbonatbildung, der Wirkungsgradverluste (Exergieverluste), insbesondere durch das Aufwärmen und Abkühlen des großen Cθ2-Massestromes erhalten.
Aus der Vergasungstechnik sind weiterhin Verfahren bekannt, bei denen kohlenstoffhaltige Brennstoffe mit Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmitteln partiell oxidiert werden, wobei Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) als Zielprodukte gebildet werden. Nur in untergeordnetem Maße fällt CO2 an. Die Freisetzung an fühlbarer Wärme beträgt typischerweise nur etwa 20 bis 30 % der Wärme, die bei Oxyfuel- Verfahren entbunden wird. Die Reaktionsbedingungen und die ablaufenden chemischen Reaktionen in der Vergasungstechnik unterscheiden sich dadurch grundlegend von denen der Verbrennungstechnik. In Vergasungsprozessen dominieren Reaktionen der Gasphase mit CO und H2, in Verbrennungsprozessen dagegen die Reaktionen mit freiem Sauerstoff.
Beispielhaft für Vergasungsprozesse sei das praktisch ausgeführte und aus der Fachliteratur bekannte HTW-Vergasungsverfahren genannt. Hierbei handelt es sich um ein Wirbelschicht- Vergasungsverfahren. Beim HTW-Vergasungsverfahren erfolgt ein Staubumlauf über einen Zyklon, wobei Feinstaub aus dem System oberhalb ausgetragen und nicht rezirkuliert wird. In einem zum Patent angemeldeten Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigen Feststoffen in der Wirbelschicht sowie einen dafür geeigneten Vergaser (EP 1 201 731 Al) werden alle, die Wirbelschicht oberseitig verlassenden Stäube innerhalb des Vergasers mit einem geeigneten Filter abgeschieden. Die Abscheidung erfolgt in einer in Strömungsrichtung des Gases hinter der Wirbelschichtzone angeordneten Kühlzone, in welcher weiterhin die Abkühlung des staubbeladenen Rohgases und die Wärmeabführung erfolgen. Anschließend wird der Staub in die Wirbelschichtzone des Vergasers zurückgeführt.
Die von der Vergasung bekannte Lehre der partiellen Oxidation gibt dem Fachmann grundsätzlich keine Hinweise, wie die vollständige Oxidation von festen Brennstoffen unter der Bedingung der weitgehenden bis vollständigen Umsetzung des Kohlenstoffes der festen Brennstoffe zu CO2 zu gestalten wäre. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verringerung bzw. Vermeidung der Rauchgas- rezirkulation bei Verfahren zur Verbrennung fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsmitteln und dadurch anlagen- und betriebstechnische Vereinfachungen sowie die Erhöhung der Wirkungsgrade und Verringerung der Eigenverbräuche zu erreichen.
Erfmdungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsmitteln gelöst, bei dem mit Staub, in Form von Feinstaub und Grobstaub, beladene Gase den Verbrennungsraum oberseitig und überwiegend grobkörnige Produkte den Verbrennungsraum als Bodenprodukt unterseitig verlassen, wobei dem Verbrennungsraum die für die vollständige Verbrennung notwendigen Verbrennungsmittel zugeführt werden, und das dadurch charakterisiert ist, dass der Verbrennungsraum getrennt wird in mindestens eine erste Verbrennungszone, wobei diese als Wanderbett ausgebildet ist, und mindestens eine darüber befindliche zweite Verbrennungszone, wobei diese als stark expandierte oder zirkulierende Wirbelschicht ausgebildet ist, dass die Trennung des Verbrennungsraumes durch mindestens eine seitliche, in die Mitte des Verbrennungsraumes gerichtete Eindüsung der für die weitgehende Verbrennung der festen Brennstoffe benötigten zweiten Verbrennungsmittel erfolgt, wobei die zweiten Verbrennungsmittel einen Sauerstoffgehalt > 50 Vo 1.-% aufweisen und mit einer Geschwindigkeit von > 10 m/s bis 100 m/s eingedüst werden, dass am unteren Ende der ersten Verbrennungszone die für die praktisch vollständige Verbrennung benötigten ersten Verbrennungsmittel im Gegenstrom eingeb lasen werden, wobei der Sauerstoffgehalt der Gasmischung auf < 50 %, vorzugsweise < 21 % bis < 10 % begrenzt wird, und dass die festen Brennstoffe soweit über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone in den Verbrennungsraum eingetragen werden, dass sich in Höhe des Eintrags und dessen Umgebung keine hot spot - Zonen bilden, in denen Asche überwiegend oder vollständig schmilzt. Die Umgebung erstreckt sich auf einen Radius um den Eintrag von max. ca. 1 m. Innerhalb diesen Radius treten erfahrungsgemäß bevorzugt Verschlackungen auf, da es hier auf Grund der hohen Kohlenstoffgehalte besonders schnell zu unzulässigen Temperaturüberschreitungen auf Werte oberhalb der Ascheerweichungstemperaturen kommen kann.
Die Verbrennungsmittel, d. h. die ersten und/oder die zweiten Verbrennungsmittel können neben Sauerstoff Kohlendioxid, Wasserdampf, NH3 und/oder Purge-Gase enthalten. Diese Nebenbestandteile können bei den im erfmdungsgemäßen Verfahren auftretenden Temperaturen und Sauerstoffkonzentrationen weitgehend schadstofffrei oxidiert werden (NH3, Purge- Gase) bzw. zur Steuerung der Verbrennungsprozesse genutzt werden (Kohlendioxid, Wasserdampf).
Der Verbrennungsprozess findet vorteilhaft in einem oben zylindrischen und unten zylindrischen oder sich konisch nach unten verengendem jedoch beidseitig offenem Verbrennungsraum statt. Doch kann der Verbrennungsraum auch einen quadratischen oder rechteckigen Strömungsquerschnitt aufweisen. Der Verbrennungsraum ist in mindestens eine erste Verbrennungszone, wobei diese als Wanderbett ausgebildet ist, und in mindestens eine darüber befindliche zweite Verbrennungszone, wobei diese als stark expandierte oder zirkulierende Wirbelschicht ausgebildet ist, unterteilt.
Die Trennung des Verbrennungsraumes erfolgt durch mindestens eine seitliche, in die Mitte des Verbrennungsraumes gerichtete Eindüsung des für die weitgehende Verbrennung des festen Brennstoffes benötigten überwiegend freien Sauerstoff enthaltenden zweiten Verbrennungsmittels. Der Eindüsungswinkel beträgt 20° bis 100°, vorzugsweise 45° bis 90°. Der Ein- düsungswinkel αi ist dabei der Winkel zwischen der Eindüsungseinrichtung (im Allgemeinen deren geometrische Achse) und der vom Scheitelpunkt des Winkels aus nach unten gesehenen, inneren Kontur des Verbrennungsraumes. Bei kleineren Apparaten erfolgt die Eindüsung des zweiten Verbrennungsmittels mit einem, gegenüber größeren Apparaten, stumpferen Eindüsungswinkel, so dass die gegenüberliegende innere Oberfläche der Verbrennungsraumum- mantelung nicht mit freiem Sauerstoff angestrahlt wird.
Die Brennstoffe werden über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone in den Verbrennungsraum, speziell in die zweite Verbrennungszone, eingetragen. Der Eintrag erfolgt soweit oberhalb, dass eine intensive Verwirbelung und Verbrennung der Brennstoffe mit den aufsteigenden Gasen der ersten und zweiten Verbrennungsmittel erfolgt. Vorzugsweise werden die Brennstoffe in einem Abstand von 1 m bis 10 m, besonders bevorzugt in einem Abstand von 2 m bis 5 m, über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone in den Verbrennungsraum eingetragen. Die Zufuhr der festen Brennstoffe erfolgt in einem Eintragswinkel von 90° bis 180°, vorzugsweise von 100° bis 160°. Der Eintragswinkel α2 ist dabei der Winkel zwischen Brennstoffeintrag (im Allgemeinen dessen geometrische Achse) und der vom Scheitelpunkt des Winkels aus nach unten gesehenen, inneren Kontur des Verbrennungsraumes. Ein annähernd rechter Winkel, zur inneren Kontur des Verbrennungsraumes, begünstigt geringe Appa- ratebauhöhen. Bei Eintrag von festen Brennstoffen mit schlechtem Fließverhalten ist ein stumpfer bis gestreckter Winkel vorteilhaft.
Die Zufuhr der festen Brennstoffe kann in dem vorgegebenen Abstand über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone in unterschiedlichen Höhen und verteilt über den Umfang der Verbrennungsraumummantelung erfo Igen.
Die weitgehende Verbrennung der festen Brennstoffe erfolgt in der zweiten Verbrennungszone. Die starke Fluidisierung ist erforderlich, um den Kohlenstoff in der zweiten Verbrennungszone gleichmäßig zu verteilen. Die gleichmäßige Verteilung ist Vorraussetzung dafür, dass sich in der Wirbelschicht keine so genannten hot spot - Zonen bilden, in denen die Asche überwiegend oder vollständig schmilzt und es in der Folge zu betriebsstörenden Verschlackungen kommen kann.
Die Zufuhr der zweiten Verbrennungsmittel erfolgt mit hoher Eindüsungsgeschwindigkeit, da das Verbrennungsmittel Sauerstoff überwiegendes Fluidisierungsmittel ist und der Sauerstoff der zweiten Verbrennungsmittel auch das Zentrum des Verbrennungsraumes der zweiten Verbrennungszone erreichen soll. Die Eindüsungsgeschwindigkeit der zweiten Verbrennungsmittel erfolgt bei Kleinanlagen mit über 10 m/s und bei Großanlagen mit bis zu 100 m/s.
Die Umsetzung des kohlenstoffhaltigen festen Brennstoffes in der zweiten Verbrennungszone erfolgt bei Temperaturen zwischen 750 0C und 950 0C, wobei lokal in den Bereichen, in denen sauerstoffhaltiges zweites Verbrennungsmittel eingedüst wird, auch höhere Temperaturen auftreten können, so dass in Abhängigkeit vom Schmelzpunkt der Asche der festen Brennstoffe ein Granulieren zumindest eines Teils der Aschebestandteile erfolgen kann. Diese Voraussetzungen können z. B. beim Verbrennen von rheinischer Braunkohle vorhanden sein, deren Asche einen Schmelzpunkt von 1.250 0C hat.
Am unteren Ende des Verbrennungsraumes erfolgen der Ascheaustrag und die Zufuhr der für die praktisch vollständige Verbrennung des Kohlenstoffs benötigten Menge an ersten Verbrennungsmitteln, wobei dem Sauerstoff weitere Gase (beispielsweise CO2, H2O, etc.) zugemischt werden und der Sauerstoffgehalt der Gasmischung auf < 50 %, vorzugsweise < 21 % bis < 10 % begrenzt wird. Die ersten Verbrennungsmittel werden zur möglichst vollständigen Verbrennung der restlichen kohlenstoffhaltigen Bestandteile und zur Oxidation der Asche in einer ersten Verbrennungszone, wobei diese als Wanderbett ausgebildet ist, eingesetzt.
Die ersten Verbrennungsmittel können in mehreren übereinander liegenden Bereichen und/oder am unteren Ende der ersten Verbrennungszone eingedüst werden. Dabei besteht die Möglichkeit, im Bedarfsfall in den einzelnen Ebenen erstes Verbrennungsmittel unterschiedlicher Zusammensetzung, beispielsweise bestehend aus Wasser, (VDampf-, O2/CO2- und (VCCVDampf-Gemischen einzudüsen. Die Verwendung unterschiedlicher erster Verbrennungsmittel in unterschiedlichen Höhen in der ersten Verbrennungszone kann sich daraus ergeben, dass einerseits eine weitestgehende Umsetzung der Kohlenstoff enthaltenen Rückstände und gegebenenfalls auch eine Oxidation der Asche bzw. der Granulate erfolgen sollen, wobei andererseits jedoch die Temperatur unterhalb des Ascheschmelzpunktes gehalten werden und ein Endprodukt aus der ersten Verbrennungszone ausgetragen werden soll, welches soweit abgekühlt ist, dass es mit den üblichen Transportmitteln, Geräten usw. gehandhabt werden kann. Mithin werden Zusammensetzung und Menge der ersten Verbrennungsmittel so eingestellt, dass der Kohlenstoffgehalt des die ersten Verbrennungszonen am unteren Ende des Verbrennungsraumes verlassenden Bodenproduktes auf die für die Deponierung erforderlichen Werte reduziert ist. Ferner soll der endgültige Rückstand, der im Wesentlichen aus A- sche und Aschegranulat besteht, gekühlt werden, bevor er das untere Ende der ersten Verbrennungszonen des Verbrennungsraumes verlässt.
Die Geschwindigkeit, mit welcher die kohlenstoffhaltigen Bestandteile, Aschen und Aschegranulate, z. B. mittels eines Schneckenförderers, aus dem unteren Ende der ersten Verbrennungszonen des Verbrennungsraumes ausgetragen werden, wird im wesentlichen bestimmt durch die Verweilzeit der Feststoffe und Stäube im Verbrennungsraum, die bei den jeweils gegebenen Verhältnissen, insbesondere Temperaturen, erforderlich ist, um den angestrebten Kohlenstoffumsatz zu erreichen.
Beim erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren zirkulieren Feststoff und Staub im Verbrennungsraum bzw. wird Grobstaub über den Abscheider in die zweite Verbrennungszone rezirkuliert. Die in den oberen Bereich der zweiten Verbrennungszone eingetragenen festen Brennstoffe bilden bei ihrer Verbrennung größere Anteile an Staub, der auf Grund der Feinheit im Abscheider nur unvollständig abgeschieden wird. Der nicht abgeschiedene Feinstaub, in der Regel deutlich < 1 % der gesamten mitgeführten Staubmenge, wird also nicht über den Abscheider zurückgeführt, während der Grobstaub über den Abscheider zurückgeführt wird. Es ist bekannt, dass Feinstaub auf Grund seiner überwiegend basischen Mineralstoffzusammensetzung (Calzium, Magnesium, Eisen, Alkalien) in Verbindung mit den gröberen, überwiegend sauren Aschebestandteilen (Quarz und Alumosilikate) die Bildung niedrigschmelzender, sog. eutektischer, Schmelzen begünstigt. Wegen der Verarmung an Feinstaub kommt es also speziell im Bereich der Staubrückführung, vornehmlich Grobstaubrückführung, zu einer Anreicherung der hochschmelzenden Fraktion der Quarz- und alumosilikathaltigen A- schebestandteile. Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung des Erweichungspunktes der im unteren Bereich des zweiten Verbrennungsraumes befindlichen Asche bis zu 100 K und höher, verglichen mit den Erweichungspunkten der Aschen, bei denen diese Separation nicht stattfindet. Diese Separierung kommt dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders zugute. In dem Verbrennungsbereich, in dem Sauerstoff eingebracht wird, liegen die Schmelzpunkte der Aschen somit höher und demzufolge wird die Gefahr der betriebsstörenden Versinterun- gen, Agglomerationen oder Verschlackungen in diesem besonders sensiblen Bereich hoher Sauerstoffkonzentrationen deutlich reduziert.
Damit unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber anderen Verfahren der Verbrennung in der zirkulierenden Wirbelschicht, in denen die Brennstoffe in Höhe des Eintrags des/der zur Verbrennung erforderlichen Sauerstoffes/Luft zugeführt werden und Feinstaub und gröbere Aschebestandteile nebeneinander vorliegen und unter Schmelzpunktabsenkung reagieren können.
Durch die Anreicherung der grobkörnigen hochschmelzenden Aschefraktion der Quarz- und alumosilikathaltigen Aschebestandteile im Verbrennungsraum verschiebt sich das Körnungsspektrum des Feststoffinventars in der zweiten Verbrennungszone zu größeren Korndurchmessern. Dies bewirkt, dass die Gasströmungsgeschwindigkeit bei Einhaltung gleicher Fest- stoffausträge erhöht werden kann, wodurch die spezifische Anlagenleistung steigt.
Im oberen Bereich des Verbrennungsraumes werden die mit Staub beladenen Gase aus dem Verbrennungsraum ausgetragen. Der mit den Gasen mitgeführte Staub besteht im Wesentlichen aus Restkoks mit einem C-Gehalt von < 2 Ma.-%. In einem sich dem oberen Bereich des Verbrennungsraums anschließenden Abscheider wird ein Grossteil des Staubes der Gase als Grobstaub abgeschieden und dem Verbrennungsraum oberhalb der Verbrennungsmitteleindü- sung der zweiten Verbrennungsmittel in die zweite Verbrennungszone zugeführt. Die Zufuhr des abgeschiedenen Grobstaubes erfolgt mit einem Abstand von 1 m bis 10 m, vorzugsweise 2 m bis 5 m, über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszonen. Die Rückführung des abgeschiedenen Grobstaubes erfolgt in einem Eintragswinkel von 90° bis 180°, vorzugsweise von 100° bis 160°. Der Eintragswinkel Ct3 ist dabei der Winkel zwischen Grobstaubeintrag (im Allgemeinen dessen geometrische Achse) und der vom Scheitelpunkt des Winkels aus nach unten gesehenen, inneren Kontur des Verbrennungsraumes.
Das erfmdungsgemäße Verfahren sichert, dass Kohlenstoff mit einer gleichmäßigen Konzentrationsverteilung auf niedrigem Konzentrationsniveau im Verbrennungsraum vorliegt, überwiegend mit einer Konzentration von < 5 Ma. -% bis sogar < 2 Ma. -% im oberen und im unteren Bereich der zweiten Verbrennungszone.
Dies stellt einen großen Vorteil gegenüber konventionellen Wirbelschichtprozessen dar, da die anfallende aus dem Prozess ausgetragene Asche einen im Vergleich zu konventionellen Wirbelschichtprozessen geringeren Kohlenstoffanteil aufweist. Der Kohlenstoffumsatzgrad des Verbrennungsprozesses wird dadurch stark gesteigert und der Kohlenstoffverlust reduziert.
Um grobkörniges Material störungsfrei abziehen zu können und im Gegenstrom die vollständige Verbrennung unter Zufuhr von ersten Verbrennungsmitteln zu gewährleisten, ist der Boden des Verbrennungsraumes vorzugsweise offen und frei von Einbauten gestaltet.
Als feste Brennstoffe können für das erfindungsgemäße Verfahren Biomassen, einschließlich Klärschlämme, Braunkohlen, Steinkohlen oder Anthrazit und deren Mischungen eingesetzt werden.
Vorteile des erfmdungsgemäßen Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff enthaltenen Verbrennungsmitteln bestehen darin, dass
• durch die veränderte Verbrennungsmittel- und Brennstoffzufuhr sowie Verbrennungsraumauslegung die Nachteile der bekannten Oxyfuel- Verfahren beseitigt werden und zugleich verwertbare Asche anfällt,
• die aufwendige Cθ2-Rezirkulation stark reduziert wird, wobei kein hoher anlagentechnischer Aufwand für die Rezirkulationswärmetauscher besteht, • keine hohen Betriebskosten und kein hoher Eigenverbrauch der Rezirkulationsver- dichter anfällt,
• der Verbrennungsprozess nicht unnötig verkompliziert wird, wobei eine höhere Betriebsflexibilität (Lastwechselverhalten) erhalten werden kann,
• es nicht zur erhöhten Korrosion, bzw. erhöhter Ansatzbildungsneigung durch Karbonatbildung kommt,
• die Wirkungsgradverluste (Exergie Verluste), insbesondere durch das stark reduzierte Aufwärmen und Abkühlen des viel geringeren Cθ2-Massestromes stark vermindert wird,
• der Kohlenstoffumsatzgrad des Verbrennungsprozesses gegenüber konventionellen Wirbelschichtverfahren stark gesteigert und damit der Kohlenstoffverlust reduziert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Verbrennen fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsmitteln gelöst, die im wesentlichen aus einem kühlbaren druckfesten Reaktorgehäuse mit einem Ascheaustrag am Fuß, einem Verbrennungsgasabgang am Kopf des Verbrennungsreaktors besteht und bei der der Verbrennungsraum getrennt ist in mindestens eine erste Verbrennungszone, die als Wanderbett ausgebildet ist, und in mindestens eine darüber befindliche zweite Verbrennungszone, die als stark expandierte oder zirkulierende Wirbelschicht ausgebildet ist.
Die Trennung des Verbrennungsraumes erfolgt durch mindestens eine seitliche, in die Mitte des Verbrennungsraumes gerichtete Eindüsungseinrichtung der für die weitgehende Verbrennung der festen Brennstoffe benötigten zweiten Verbrennungsmittel. Die Eindüsungseinrichtung ist so ausgestaltet ist, das zweite Verbrennungsmittel mit einem Sauerstoffgehalt > 50 Vol.-% und mit einer Geschwindigkeit von > 10 m/s bis 100 m/s eingedüst werden können.
Am unteren Ende der ersten Verbrennungszone der Vorrichtung ist eine Einrichtung zum Eindüsen der für die praktisch vollständige Verbrennung benötigten ersten Verbrennungsmittel mit einem Sauerstoffgehalt der Gasmischung < 50 %, vorzugsweise < 21 % bis < 10 %, angeordnet. Der Brennstoffeintrag ist soweit über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone angeordnet, dass sich in Höhe des Eintrags und dessen Umgebung keine hot spot - Zonen bilden, in denen Asche überwiegend oder vollständig schmilzt.
Die Eindüsungseinrichtung besteht im Wesentlichen aus mehreren am Umfang der Vorrichtung in einer Ebene gleichmäßig angeordneter Düsen. Der Eindüsungswinkel der Düsen für die zweiten Verbrennungsmittel beträgt 20° bis 100°, vorzugsweise 45° bis 90°. Der Eindüsungswinkel αi ist dabei der Winkel zwischen der Eindüsungseinrichtung (im Allgemeinen deren geometrische Achse) und der vom Scheitelpunkt des Winkels aus nach unten gesehenen, inneren Kontur des Verbrennungsraumes. Bei kleineren Apparaten erfolgt die Eindüsung des zweiten Verbrennungsmittels mit einem, gegenüber größeren Apparaten, stumpferen Eindüsungswinkel, so dass die gegenüberliegende innere Oberfläche der Verbrennungsraumum- mantelung nicht mit freiem Sauerstoff angestrahlt wird.
Die Einrichtung zum Eindüsen der ersten Verbrennungsmittel ist vorteilhaft so ausgestaltet, dass sie die Eindüsung in mehreren übereinander liegenden Bereichen und/oder am unteren Ende der ersten Verbrennungszone gestatten.
Der Brennstoffeintrag ist vorteilhaft als Schrägrohreintrag ausgestaltet. Er ist so ausgerichtet, dass die Zufuhr der festen Brennstoffe in einem Eintragswinkel von 90° bis 180°, vorzugsweise von 100° bis 160° erfolgt. Der Eintragswinkel α2 ist dabei der Winkel zwischen Brennstoffeintrag (im Allgemeinen dessen geometrische Achse) und der vom Scheitelpunkt des Winkels aus nach unten gesehenen, inneren Kontur des Verbrennungsraumes. Ein annähernd rechter Winkel, zur inneren Kontur des Verbrennungsraumes, begünstigt geringe Apparatebauhöhen. Bei Eintrag von festen Brennstoffen mit schlechtem Fließverhalten ist ein stumpfer bis gestreckter Winkel vorteilhaft.
Der Brennstoffeintrag besteht vorteilhaft aus mehreren am Umfang der Vorrichtung in gleichen oder unterschiedlichen Höhen verteilt angeordneter Schrägrohreinträge.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dem Verbrennungsgasabgang eine Einrichtung zur Staubabtrennung, vornehmlich Grobstaubabtrennung, und Rückführung des abgetrennten Grobstaubes in den unteren Teil der zweiten Verbrennungszone nachgeschalten. Die Einrichtung zur Rückführung des Staubes, vornehmlich Grob- staubes, ist so angeordnet, dass sie die Rückführung des Staubes, vornehmlich Grobstaubes, in einem Eintragswinkel von 90° bis 180°, vorzugsweise von 100° bis 160° gestattet. Der Ein- tragswinkel Ct3 ist dabei der Winkel zwischen Grobstaubeintrag (im Allgemeinen dessen geometrische Achse) und der vom Scheitelpunkt des Winkels aus nach unten gesehenen, inneren Kontur des Verbrennungsraumes.
Anhand der schematischen Darstellung nach Fig. 1 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Die in Figur 1 dargestellte Verbrennungsanlage besteht aus einem Verbrennungsraum (1), welcher oben zylindrisch und nach unten hin sich konisch verengt, jedoch beidseitig offen ausgebildet ist. Der Innendurchmesser des oberen zylindrischen Abschnittes des Reaktionsraumes beträgt 8 m. Der halbe Kegelwinkel beträgt 8°.
Der Verbrennungsraum (1) ist in eine erste Verbrennungszone (3), wobei diese als Wanderbett ausgebildet ist, und eine darüber befindliche zweite Verbrennungszone (2), wobei diese als zirkulierende Wirbelschicht ausgebildet ist, unterteilt. Die Höhe des Verbrennungsraumes (1) beträgt 30 m.
Die Trennung des Verbrennungsraumes (1) erfolgt durch eine seitliche, in die Mitte des Verbrennungsraumes (1) gerichtete Eindüsung des für die weitgehende Verbrennung des festen Brennstoffes benötigte überwiegend freien Sauerstoffs enthaltenden zweiten Verbrennungsmittels (4), wobei das zweite Verbrennungsmittel (4) mit einer Geschwindigkeit von 20 m/s eingedüst wird. Der Eindüsungswinkel αi beträgt 60°. Die Zufuhr des zweiten Verbrennungsmittels (4) erfolgt durch 8 gleichmäßig in einer Düsenebene angeordneter Düsen. Als zweites Verbrennungsmittel (4) wird der zweiten Verbrennungszone (2) ein Gasgemisch aus 90 Vol.-% Sauerstoff und 10 Vol.-% Kohlendioxid mit einer Temperatur von 200 0C zugeführt.
Die thermische Leistung der Verbrennungsanlage beträgt 250 MW(th). Als fester Brennstoff (5) kommt deutsche Trockenbraunkohle mit einem Wassergehalt von 12 %, einem A- scheschmelzpunkt von 1.250 0C und einer Körnung von 0 bis 4 mm zum Einsatz. Die Einsatzmenge der Trockenbraunkohle beträgt 45 t/h und wird mit einer Temperatur von 60 0C der Verbrennungsanlage zugeführt. Der Eintrag der Trockenbraunkohle erfolgt mit Hilfe von Schnecken und über 2 bis 3 symmetrisch verteilte Schrägrohre im Bereich des kegelstumpf- förmigen Abschnitts der zweiten Verbrennungszone (2) in einem Abstand (hl) von 5 m oberhalb der Verbrennungsmitteldüsenebene. Die Zufuhr erfolgt in einem Eintragswinkel α2 von 130°.
Das radiale Geschwindigkeitspro fil der zweiten Verbrennungszone (2) zeigt eine für homogen fluidisierte Wirbelschichten typische Ausbildung. Die axiale Gasgeschwindigkeit steigt in Strömungsrichtung leicht an. Bei einem Verbrennungsraumdurchmesser von 8 m liegt diese bei 5,2 m/s.
Die Umsetzung der Trockenbraunkohle erfolgt zu 90 % in der zweiten Verbrennungszone (2) bei Temperaturen zwischen 750 0C und 950 0C, wobei lokal in den Bereichen, in denen sauerstoffhaltiges zweites Verbrennungsmittel (2) eingedüst wird, auch höhere Temperaturen auftreten können, so dass die unter Anwendung der sauerstoffhaltigen zweiten Verbrennungsmittel (4) zumindest lokal auftretenden Temperaturen den Ascheschmelzpunkt von 1.250 0C überschreiten und es zu einem Granulieren von etwa 10 % der Aschebestandteile kommt.
Am unteren Ende des Verbrennungsraumes (1) erfolgt in einer offen und frei von Einbauten gestaltet ersten Verbrennungszone (3) der Ascheaustrag (7) und die Zufuhr der für die vollständige Verbrennung des Kohlenstoffs benötigten Menge an erstem Verbrennungsmittel (6), bestehend aus 15 Vol.-% Sauerstoff und 85 Vo 1.-% Dampf, im Gegenstrom mit einer Temperatur von 200 0C.
Das erste Verbrennungsmittel (6) wird zur möglichst vollständigen Verbrennung der restlichen kohlenstoffhaltigen Bestandteile und zur Oxidation der Asche in einer ersten Verbrennungszone (3), wobei diese als Wanderbett ausgebildet ist, eingesetzt. Ferner wird der grobkörnige Rückstand als Bodenprodukt (7), das im Wesentlichen aus Asche und Aschegranulat besteht, gekühlt, bevor dieses störungsfrei das untere Ende der ersten Verbrennungszone (3) des Verbrennungsraumes (1) verlässt.
Der Verbrennungsprozess erfolgt mit λ = 1,1. Dabei werden 1,205 m3(i.N.)θ2/kg Trockenbraunkohle zugeführt. (54.000 m3(i.N.)O2/h bei 250 MW(Ih)) Die Geschwindigkeit, mit welcher die unterhalb des sich von oben nach unten bewegenden Wanderbettes der ersten Verbrennungszone (3) verbliebenen festen Reststoffe mittels eines Schneckenförderers aus dem unteren Ende der ersten Verbrennungszone (3) des Verbrennungsraumes (1) ausgetragen werden, wird im wesentlichen bestimmt durch die Verweilzeit der Feststoffe und Stäube im Verbrennungsraum (1), die bei den jeweils gegebenen Verhältnissen, insbesondere Temperaturen, erforderlich ist, um den angestrebten Kohlenstoffumsatz von 100 % zu erreichen.
Im oberen Bereich des Verbrennungsraumes (1) wird das staubbeladene Verbrennungsgas (8) ausgetragen. Der mit dem Verbrennungsgas mitgeführte Staub weist einen Kohlenstoffgehalt in der Regel von < 2 Ma. -% auf.
In einem sich dem oberen Bereich des Verbrennungsraumes (1) anschließenden Abscheider (10) wird ein Grossteil des Staubes des Verbrennungsgases, vornehmlich der Grobstaub, abgeschieden und dem Verbrennungsraum (1) oberhalb der Verbrennungsmitteleindüsung des zweiten Verbrennungsmittels (4) in die zweite Verbrennungszone (2) zugeführt. Die Zufuhr des zurückgeführten Staubes (11), vornehmlich Grobstaubes, erfolgt mit einem Abstand (h2) von 3 m über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone (3). Die Rückführung des Feststoffes erfolgt in einem Eintragswinkel 013 von 130°.
Es konnte weiterhin gefunden werden, dass ein durchschnittlicher Kohlenstoffgehalt im Feststoffanteil in der zweiten Verbrennungszone (2), einer stark expandierten oder zirkulierenden Wirbelschicht, von maximal 2,25 % zur Begrenzung der Temperatur im Verbrennungsraum (1) auf < 1.250 0C führt und es damit zu keiner betriebsstörenden Schlackebildung kommt.
Würde die Verbrennung von festem Brennstoff (5) in einem der Erfindung vergleichbaren Prozess mit Luft erfolgen und diese Luft als zweites Verbrennungsmittel in eine vergleichbare zweite Verbrennungszone (2), eine stark expandierte oder zirkulierende Wirbelschicht, einge- düst werden, würde zum Erreichen einer Temperatur im Verbrennungsraum (1) von 1.250 0C und keiner betriebsstörenden Schlackebildung, etwa 3,5 % Kohlenstoffgehalt im Feststoffanteil der zweiten Verbrennungszone (2) benötigt. Der Kohlenstoffgehalt im Feststoffanteil in der zweiten Verbrennungszone (2), einer stark expandierten oder zirkulierenden Wirbelschicht, ist bei der Verbrennung von festem Brennstoff in einem wie in Figur 1 dargestellten Verbrennungsraum (1) mit Sauerstoff, gegenüber der Verbrennung von festem Brennstoff in einem wie in Figur 1 dargestellten Verbrennungsraum (1) mit Luft, um 1 bis 1,5 %-Punkte vermindert.
Bezugszeichenliste
1. Verbrennungsraum
2. Zweite Verbrennungszone (stark expandierte oder zirkulierende Wirbelschicht)
3. Erste Verbrennungszone (Wanderbett)
4. Zweite Verbrennungsmittel
5. Fester Brennstoff
6. Erste Verbrennungsmittel
7. Asche / Bodenprodukt
8. staubbeladenes Verbrennungsgas
9. Verbrennungsgas
10. Abscheider
11. Zurückgeführter Staub

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsmitteln, wobei mit Staub beladene Gase einen Verbrennungsraum oberseitig und überwiegend grobkörnige Produkte den Verbrennungsraum als Bodenprodukt unterseitig verlassen, wobei dem Verbrennungsraum die für die vollständige Verbrennung notwendigen Verbrennungsmittel zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsraum getrennt wird in mindestens eine erste Verbrennungszone, wobei diese als Wanderbett ausgebildet ist, und in mindestens eine darüber befindliche zweite Verbrennungszone, wobei diese als stark expandierte oder zirkulierende Wirbelschicht ausgebildet ist, dass die Trennung des Verbrennungsraumes durch mindestens eine seitliche, in die Mitte des Verbrennungsraumes gerichtete Eindüsung der für die weitgehende Verbrennung der festen Brennstoffe benötigten zweiten Verbrennungsmittel erfolgt, wobei die zweiten Verbrennungsmittel einen Sauerstoffgehalt > 50 Vol.-% aufweisen und mit einer Geschwindigkeit von > 10 m/s bis 100 m/s eingedüst werden, dass am unteren Ende der ersten Verbrennungszone die für die praktisch vollständige Verbrennung benötigten ersten Verbrennungsmittel im Gegenstrom eingeblasen werden, wobei der Sauerstoffgehalt der Gasmischung auf < 50 %, vorzugsweise < 21 % bis < 10 % begrenzt wird, und dass die festen Brennstoffe soweit über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone in den Verbrennungsraum eingetragen werden, dass sich in Höhe des Eintrags und dessen Umgebung keine hot spot - Zonen bilden, in denen Asche überwiegend oder vollständig schmilzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder die zweiten Verbrennungsmittel neben Sauerstoff Kohlendioxid, Wasserdampf, NH3 und/oder zu entsorgende Purge-Gase enthalten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Brennstoffe in einem Abstand von 1 bis 10 m, vorzugsweise von 2 bis 5 m über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone in den Verbrennungsraum eingetragen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der im Verbrennungsgas enthaltene Grobstaub abgeschieden und in den unteren Teil der zweiten Verbrennungszone zurückgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindüsungswinkel αi der zweiten Verbrennungsmittel 20° bis 100°, vorzugsweise 45° bis 90° beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr der festen Brennstoffe in einem Eintragswinkel α2 von 90° bis 180°, vorzugsweise von 100° bis 160° erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung des Grobstaubes in einem Eintragswinkel Ct3 von 90° bis 180°, vorzugsweise von 100° bis 160° erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr der Brennstoffe in unterschiedlichen Höhen und verteilt über den Umfang der Verbrennungsraumummantelung erfo Igt .
9. Vorrichtung zum Verbrennen fester Brennstoffe mit freien Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsmitteln, bestehend im wesentlichen aus einem kühlbaren einen Verbrennungsraum umschließendes druckfestes Reaktorgehäuse mit einem Ascheaustrag am Fuß, einem Verbrennungsgasabgang am Kopf des Verbrennungsreaktors, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsraum des Verbrennungsreaktors getrennt ist in mindestens eine erste Verbrennungszone, die als Wanderbett ausgebildet ist, und in mindestens eine darüber befindliche zweite Verbrennungszone, die als stark expandierte oder zirkulierende Wirbelschicht ausgebildet ist, dass die Trennung des Verbrennungsraumes durch mindestens eine seitliche, in die Mitte des Verbrennungsraumes gerichtete Eindüsungseinrichtung der für die weitgehende Verbrennung der festen Brennstoffe benötigten zweiten Verbrennungsmittel erfolgt und die so ausgestaltet ist, dass zweite Verbrennungsmittel mit einer Geschwindigkeit von > 10 m/s bis 100 m/s eingedüst werden, dass am unteren Ende der ersten Verbrennungszone eine Einrichtung zum Eindüsen der für die praktisch vollständige Verbrennung benötigten ersten Verbrennungsmittel mit einem Sauerstoffgehalt der Gasmischung < 50 %, vorzugsweise < 21 % bis < 10 %, angeordnet ist, und dass ein Brennstoffeintrag soweit über dem oberen Ende der ersten Verbrennungszone angeordnet ist, dass sich in Höhe des Eintrags und dessen Umgebung keine hot spot - Zonen bilden, in denen Asche überwiegend oder vollständig schmilzt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsungseinrichtung aus mehreren am Umfang des Verbrennungsreaktors in einer Ebene gleichmäßig angeordneten Düsen besteht und der Eindüsungswinkel αi der Düsen für die zweiten Verbrennungsmittel 20° bis 100°, vorzugsweise 45° bis 90° beträgt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Eindüsen der ersten Verbrennungsmittel so ausgestaltet ist, dass sie die Eindüsung in mehreren übereinander liegenden Bereichen und/oder am unteren Ende der ersten Verbrennungszone gestattet.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffeintrag als Schrägrohreintrag ausgestaltet und so ausgerichtet ist, dass die Zufuhr der festen Brennstoffe in einem Eintragswinkel α2 von 90° bis 180°, vorzugsweise von 100° bis 160° erfolgt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffeintrag aus mehreren am Umfang des Verbrennungsreaktors in gleichen oder unterschiedlichen Höhen verteilt angeordneten Schrägrohreinträgen besteht.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verbrennungsgasabgang eine Einrichtung zur Staubabtrennung und Staubrückführung in den unteren Teil der zweiten Verbrennungszone nachgeschalten ist und die Einrichtung zur Staubrückführung so angeordnet ist, dass sie die Staubrückführung in einem Eintragswinkel Ct3 von 90° bis 180°, vorzugsweise von 100° bis 160° gestattet.
PCT/EP2008/051507 2007-02-07 2008-02-07 Verfahren und vorrichtung zum verbrennen fester brennstoffe WO2008095984A2 (de)

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