DE3531815A1 - Verfahren und vorrichtung fuer die stickoxidfreie dampferzeugung mit fossilen brennstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine wesentliche Verbesserung der Erfindung Verfahren und Vorrichtung für die stickoxid­ freie Dampferzeugung mit fossilen Brennstoffen P 34 47 147.2 und G 84 37 816.6.

In der Erfindung wurde gezeigt, wie durch Aufteilung des Verbrennungsprozesses in 2 Stufen mit einer unterstöchiomet­ rischen Verbrennung bei relativ hohen Temperaturen in der 1. Stufe, nachfolgender Abkühlung und flammloser Verbrennung in einer Keramik mit geringem Luftüberschuß in einer 2. Stufe bei Temperaturen unterhalb von 1300 grdC die thermi­ sche Stickoxidbildung ganz und die Brennstoffstickoxidbil­ dung ebenfalls relativ vollständig bei entsprechender Aus­ bildung der Keramik verhindert werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung zeigt sich nun, daß sich überraschenderweise Modifikationen ausführen lassen, die über das bisherige Maß der Beschreibung der Patentanmeldung hinausgehen.

Es zeigt sich, daß in der reduzierenden Atmosphäre der 1. Verbrennungsstufe die Aschebestandteile länger, d. h., bei tieferen Temperaturen noch flüssig bleiben, so daß auch die sich bei kleineren Anlagen und in der Anfangsphase einstellenden niedrigeren Temperaturen noch ausreichen, um einen flüssigen Ascheabzug zu erreichen.

Dieser niedrigerer Ascheschmelzpunkt der 1. Stufe führt aber auch dazu, daß die Abkühlung des Spaltgases im Strahlraum vor Eintritt in die Rohrwärmetauscher bis auf niedrigere Temperaturen erfolgen muß. Diese Temperatur ist ohne Zusätze zur Kohle ca. 900 grdC und mit Zusätzen bis zu ca. 1050 grd C.

Weiterhin hat sich gezeigt, daß es zumindest bei kleineren Wärmeerzeugeranlagen zweckmäßig ist, die Überhitzer, Luft­ vorerhitzer und Speisewasservorwärmer in die Abkühlstrecke des Spaltgases zu schalten. Der Verdampfer, der zweckmäßi­ gerweise als Geradrohrverdampfer ausgebildet wird, soll zusammen mit einem Drehluvo der 2. Verbrennungsstufe nachge­ schaltet werden.

Der Geradrohrverdampfer nach der 2. Verbrennungsstufe hat den Vorteil, daß eine Vielzahl von Dampfabscheidern am Ende der einzelnen Rohrschlangen eingespart wird. Der Verdampfer baut deshalb trotz der ungünstigeren Wärmeübertragungsver­ hältnisse extrem klein. Dieses wird auch aus der Fig. 1 deutlich, die die Anlagenkomponenten etwa in den Größenver­ hältnissen enthält, wie sie sich beispielsweise bei einer Anlage mit einer Dampfabgabe mit 20 kJ/s ergibt.

Fig. 1 zeigt die einzelnen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Mit 1 ist die vollkeramisch isolierte Verga­ sungskammer mit flüssigem Ascheabzug bezeichnet. Sie ist über den Verbindungskanal 2 mit der Strahlungsverdampfer 3 verbunden.

Dieser Strahlungsverdampfer 3 besteht aus Flossenrohren, die mit Wasser durchströmt werden.

Der Strahlungsverdampfer bildet zusammen mit dem 2. Teil, der aus dem Überhitzer- und Vorwärmerteil, der mit Wärme­ tauscherblöcken 31, 32, 33, 34 bestückt ist, besteht, den ge­ samten Spaltgastrakt 5.

Mit 6 ist der Verbindungskanal zur Entstaubungseinheit 7, die aus dem Staubfilter besteht, bezeichnet. Mit 8 ist der Verbindungskanal von der Entstaubereinheit zur Entschwefe­ lungseinheit 9, zu der der Wärmetauscher 10 gehört, bezeich­ net. Der Verbindungskanal 11 leitet das gereinigte Gas in den Brennkammertrakt 12. Dieser hat die Strukturkeramikein­ heiten 13, den Geradrohrverdampfer 14, die Dampfableitung 15 zu dem Dampfsammler 16 und die Rauchgasabführung bzw. den Schornstein 17.

Das Verfahren wird in der Fig. 2 erläutert. In der Fig. 2 ist die vollkeramisch isolierte Zyklonschmelzkammervergasung mit 1 bezeichnet. Sie besitzt die Zufuhr der Kohle 19 mit der hoch vorgewärmten Luft, beispielsweise auf 500 grdC, und die evtl. Zufuhr von Wasserdampf 21. Diese Zugabe dient der Temperatursteuerung und ermöglicht die Temperaturbegren­ zung bei hochvorgewärmter Luft auch bei Steinkohle. Bei Braunkohle mit nicht zu hoher Vortrocknung, beispielsweise ab 10% Wassergehalt, kann diese Wasserdampfzugabe entfal­ len.

Das in der Zyklonschmelzkammervergasung 1 erzeugte Spaltgas niedrigen Heizwertes gelangt über den Verbindungskanal 2 in die Strahlungsdampferzeugerzone 3, die das Spaltgas auf 950 grdC und vor Eintritt in die Wärmetauschereinheiten des 2. Teiles des Spaltgastraktes 5 auf 900 grdC abkühlt.

Die weitere Abkühlung des Rauchgases geschieht in dem Luvo II 31, der die Luft auf so hohe Temperaturen vorwärmt, daß in der Zyklonschmelzvergasung 1 ausreichend hohe Tem­ peraturen erreicht werden, um einen flüssigen Schlackeabzug zu gewährleisten. Dieses sind beispielsweise für die Luft 500 grdC und für die Schmelzkammervergasung 1800 grdC.

Im Luvo II 31 kühlt sich das Rauchgas auf unter 800 grdC ab und tritt mit dieser Temperatur in die beiden Überhitzer 2 und 1 ein, 32 und 33.

Dabei kühlt sich das Rauchgas auf Temperaturen zwischen 300 und 400 grdC ab. Die restliche Abkühlung des Rauchgases auf unter 200 grdC geschieht in dem Speisewasservorwärmer ECO 34. Diesen verläßt das Rauchgas mit beispielsweise 160 grd C.

Die Wärmetauscher 32, 33, 34 unter dem Luvo II 31 sind verbunden mit einer Trommel 50, die den Sattdampf für die Überhitzung als auch das Wasser für die Verdampfung spei­ chert.

Das Spaltgas wird nun in der Entstaubungs- 7 und Entschwefe­ lungseinheit 9 von den staubförmigen Teilchen und dem H2S zu über 99% gereinigt und verliert dabei über die Wärmetau­ scher auch eine Grädigkeit von ca. 50 bis 70 grdC. Es verläßt die Reinigungseinheit 8 mit einer Temperatur von ca. 100 grdC.

Gemischt mit der in einem Regenerativwärmetauscher aufge­ heizten Luft gelangt das Spaltgas in die Strukturkeramikein­ heit 13 des Brennkammertraktes 12 und verbrennt dort bei ca. 1200 grdC. Dabei entsteht kein Stickoxid, da die Stick­ oxidbildungstemperatur an keiner Stelle der Verbrennung erreicht wird. Auch die aus dem Brennstoff eingetragenen Anteile an Ammoniak verbrennen auf Grund der speziellen Zusammensetzung der Keramik nur zu N2 und nicht zu NO.

Die so entstandenen extrem sauberen 1200 rdC heißen Rauch­ gase gelangen in einen Geradrohrwärmetauscher 14, der zusam­ men mit dem Luvo I 18 den Brennkammertrakt 12 bilden. Die Rauchgase verlassen diesen Trakt mit nur geringem Luftüber­ schuß von 3-8% mit ca. 130 grdC. Die niedrige Temperatur ergibt sich auch aus der extremen Schadstofffreiheit, die die Korrosionserscheinungen verringern.

Das Abgas gelang von diesem Trakt über den Abgaskanal in den Schornstein 17.

In einem speziellen Ausführungsbeispiel werden die Besonder­ heiten des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert.

Die Energie eines Kohlestromes von 2,78 t/h, was einer thermischen Leistung von 20 MW bei einem unteren Heizwert von 6733 kcal/kg und einem zugrunde gelegten Anlagenwir­ kungsgrad von 92% entspricht, soll stickoxidfrei umgesetzt und zur Erzeugung von überhitztem Dampf verwendet werden.

30grädige Luft 39 mit einem Volumenstrom von 5,74 m3iN/s strömt durch einen Drehluve LUVO I 18 und wird dabei durch die Abgase des Brennkammertraktes 12 auf 350 grdC aufge­ wärmt. Ein Teilstrom von 3,49 m3iN/s der 350grädigen Luft wird abgezweigt und über 30 im Spaltgastrakt durch einen Röhrenluvo LUVO II 31 geleitet. Hier erfolgt die Erhitzung auf 500 grdC. Zusammen mit der fein zermahlenen Steinkohle 19, die einen Wassergehalt von ca. 3 Gew.-% hat und einer Dampfzugabe 21 von 582 kg/h wird die 500grädige Luft 20 in der Schmelzkammer 1 bei einer Temperatur von ca. 1800 grdC zu einem Spaltgasstrom von 4,49 m3iN/s umgesetzt.

Im Leerzug des Strahlungsverdampfers 3 wird das 1800grädige Spaltgas durch Strahlung und Konvektion auf 900 grdC abge­ kühlt, bevor es auf die erste Berührungsheizfläche, dem LUVO II 31, trifft. Auf dem Wege durch die Berührungsheizflächen 31, 32, 33, 34 des Spaltgastraktes 5 senkt sich die Tempera­ tur des Spaltgases auf 160 grdC ab. Mit dieser Temperatur verläßt es den Spaltgastrakt 5 um in einer Entstaubungsein­ heit 7 von seinen restlichen festen Partikeln, danach dann anschließend in einer Entschwefelungseinheit 9 von seinen schwefligen Verbindungen befreit zu werden. Mit ca. 100 grdC verläßt das Spaltgas den Hochleistungswärmetauscher 10 der Entschwefelungseinheit 9 und gelangt in die Brennkammer des Brennkammertraktes 35. Hier wird das Spaltgas mit dem rest­ lichen Teilstrom 36 der 350grädigen Luft von 2,25 m3iN/s vermischt und in einer Keramik 13 katalytisch bei 1198 grdC zu Abgas umgesetzt.

In einem Geradrohrwärmetauscher 14 erfährt das Abgas eine Abkühlung auf 379 grdC, um anschließend in dem Drehluvo LUVO I 18 weiter auf 1390 grdC abgekühlt zu werden. Über ein Gebläse wird das 130grädige Abgas über den Kamin 17 abge­ leitet.

Der 135grädige Speisewasserstrom 38 von 7,68 kg/s wird mit der Speisewasserpumpe durch den ECO 34 des Spaltgastraktes 5 gepumpt, wobei es sich auf 154 grdC erwärmt. Mit dieser Temperatur strömt es in die Trommel 50, von wo aus es durch Fallrohre 40 in Teilströmen einerseits in die Flossenwände des Spaltgastraktes 41 (3,65 kg/s), andererseits auf die Rohrmantelseite des Geradrohrwärmetauschers des Brennkammer­ traktes (4,03 kg/s) strömt 42

Am Ende der beiden Einheiten strömt Sattdampf über 43 und 44 mit 212 grdC in die Trommel 50. Aus dem Dampfraum der Trom­ mel wird der Sattdampf entnommen und über 45 zum Überhitzer Ü1 33 geleitet, wo der Dampf in einer 1. Stufe auf 286 grdC erwärmt wird. In einer Einspritzregelung 46 wird über 47 ca. 0,08 kg/s Speisewasser von 135 grdC zugegeben, womit der überhitzte Dampf auf 272 grdC abgekühlt wird. Mit dieser Temperatur gelangt er in den Überhitzer Ü2 32, wo er in einer 2. Stufe auf seinen Konzessionszustand von 350 grdC und 16 bar gebracht und anschließend über 48 zur Turbine weitergeleitet wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel soll die erfindungsgemäße Vorrichtung näher erläutern:

Die Luft 39 für die Vergasung und Verbrennung durchströmt den LUVO I 18, der einen Durchmesser von ca. 3,4 m hat, und teilt sich danach in zwei Teilströme 30 und 36 auf.

Der eine Teilstrom 30 gelangt durch den LUVO II 31 des Spaltgastraktes 5 und vermischt sich mit der zermahlenen Steinkohle 19 und dem Wasserdampf 21 in einer keramisch ausgekleideten, voll isolierten Zyklonschmelzkammer 1 mit zwei gleichgroßen Brennern. Die Schmelzkammer hat einen Durchmesser von ca. 3 m und eine zylindrische Höhe von ca. 4 m. Der Abzug der flüssigen Asche erfolgt unter Luftabschluß über den am unteren Ende des zylindrischen Teils sich an­ schließenden Trichters.

Über einen, ein wenig in den unteren Teil des Schmelzraumes ragenden Kanal 2 von ca. 2,5 m × 0,5 m wird das Spaltgas in den Strahlraum des Dampferzeugers 3 geleitet. Im 1. Teil des aus Flossenrohren aufgebauten Dampferzeugers wird das heiße Spaltgas in einem quadratischen Leerzug mit einer Kantenlän­ ge von 2,64 m und einer Höhe von ca. 7,5 m abgekühlt, bevor es in einem rechteckigen 2. Zug mit der Grundfläche von 2,64 m × 2,06 m und einer Höhe von ca. 6,5 m soweit abkühlt, daß es in einer Gewebefiltereinheit 7 von seinen festen Partikeln befreit werden kann.

In einer anschließenden Entschwefelungseinheit 9, die einen Durchmesser von ca. 3 m und eine Höhe von ca. 4 m hat, werden die schwefligen Verbindungen aus dem Spaltgas entfernt. In einem Hochleistungswärmetauscher 10 mit den äußeren Maßen 1,8 m × 1,8 m × 1,6 m wird das Spaltgas wieder erwärmt und danach dem Brennkammertrakt 12 zugeleitet.

Hier erfolgt in einer keramisch ausgekleideten Brennkammer 35, die quadratisch mit einer Kantenlänge von 1,7 m oder äquivalent mit einem Durchmesser von 2 m groß baut, die Mischung mit dem restlichen Teilstrom der Luft aus dem LUVO I 18. In einer über dem Brennkammerraum liegenden Keramik 13 erfolgt katalytisch die Umsetzung zu Abgas. Die dabei frei­ werdende Wärme wird in einem Geradrohrwärmetauscher 14 abge­ baut. Dieser Wärmetauscher besteht aus einer Grundplatte mit den gleichen Abmessungen wie die Brennkammer und er hat eine Höhe von 2,12 m. Dabei strömt das Abgas durch 5012 ISO-Rohre (20 × 2,0).

Claims (6)

1. Verfahren zur stickoxidarmen Umsetzung von fossilen Brennstoffen mit Aschegehalten in einer zweistufigen Verbrennung nach P 34 47 147.2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zyklonschmelzkammervergasung in gleicher Weise betrieben wird wie eine Zyklonschmelzkammerfeuerung, indem die durch die Vergasung niedrigere Reaktionstempera­ tur durch die höhere Aufheizung der Verbrennungsluft wieder kompensiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlraum, der sich an die Schmelzkammer anschließt eine Abkühlung bis auf 900 bis 1000 grdC vor Eintritt in die Wärmetauscher­ einheiten durch Flossenrohre erreicht wird, um durch die niedrigeren Temperaturen dem niedrigeren Ascheschmelzpunkt der Schlacke in reduzierender Atmosphäre Rechnung zu tragen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Flossenrohren des Strahlraumes und im Geradrohrwärmetau­ scher der 2. Verbrennungsstufe Verdampfung des Wassers vorgenommen wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens entsprechend P 34 47 147.2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger aus einer Zyklonschmelzkammer mit keramischer Auskleidung hoher Temperaturfestigkeit wie Chromkor und oder Siliziumnitrit besteht, der sich ein gekühlter Strahlungsverdampfer, mehrere Vorwärm- und Überhitzerwärmetauscher anschließen, einer Spaltgasreinigung hinsichtlich des Staubes und evtl. auch des Schwefels und einer Verbrennungseinrichtung für Spaltgas-Luft-Gemisch und anschließender Verdampfer- und Luftvorwärmer- Wärmetauscher besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungseinrichtung für das Spaltgasluftgemisch aus 1 oder mehreren Strukturkeramikschichten besteht, die eine 10 bis 100fache Länge im Verhältnis zu ihren Bohrungsdurchmesser besitzen.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherflächen der Speisewasservorwärmer und der Verdampfer mit einem Speicherkessel entsprechend verbunden sind.