DE3751817T2 - Verfahren und Vorrichtung um Schwefeldioxid auf Rauchgas zu reduzieren - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zum Reduzieren des Schwefeldioxidgehalts in Rauchgasen
Hintergrund der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Entfernen von Schadstoffen aus Rauchgasen und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von Schwefeldioxid aus Rauchgasen von mit schwefelhaltigem Brennstoff gefeuerten Kesseln.
• Schwefelhaltige Brennstoffe wie etwa Kohle, Koksofengas oder Heizöl werden typischerweise zur Feuerung von Kesseln zur Dampferzeugung zum Zwecke der Stromversorgung und/oder für Heiz- oder Prozeßzwecke eingesetzt. Der Brennstoff wird typischerweise mit Luftüberschuß bezüglich der für die Verbrennung erforderlichen stöchiometrischen Menge in einer Reihe von Brennern in einer umschlossenen Brennkammer verbrannt, um Verbrennungsprodukte zu erzeugen, die in erster Linie aus heißen Gasen bestehen, aber auch gewisse Feststoffpartikel wie etwa Flugasche enthalten. Den heißen Gasen wird in herkömmlicher Weise zur Beheizung von Wasser und zum Erzeugen von Dampf die Wärme entzogen. Die heißen Gase werden stromab geleitet und schließlich durch einen Schornstein abgegeben. In den heißen Gasen nach Beendigung der Dampferzeugungsfunktion verbleibende Restwärme kann dazu verwendet werden, die Verbrennungsluft vorzuwärmen.
• In der Brennkammer nimmt die Temperatur in Stromabrichtung nach dem letzten Erenner ab. Darüberhinaus kann an jeder Stelle längs des stromabgerichteten Wegs über die Querabmessungen der Verbrennungszone ein verteilter Bereich unterschiedlicher Prozeßtemperaturen vorhanden sein. An jeder derartigen Stelle existiert jedoch auch eine Durchschnittstemperatur, wobei die Durchschnittstemperatur die hier verwendete Bezugstemperatur ist, falls nicht anders angegeben.
• Die heißen Gase aus der Verbrennungsreaktion beinhalten sowohl feste als auch gasförmige, unerwünschte Schadstoffe. Schadstoffe in Form fester Partikel werden normalerweise in einem elektrostatischen Abscheidefilter, einem (Schlauch-)Filtergehäuse oder beiden entfernt. Gasförmige Schadstoffe beinhalten Stickoxide (NOX) und Schwefeldioxid (SO&sub2;). Innerhalb der letzten Jahre ist der NOX-Gehalt der Gase durch Veränderungen der Verbrennungstechniken für öl- und gasgefeuerte Brenner und durch Veränderungen in der Brennerauslegung für kohlegefeuerte Brenner reduziert worden.
• Ein hoher Schwefeldioxidgehalt in den Gasen ist insbesondere deshalb unerwünscht, da er, falls er in die Atmosphäre entweichen kann, eine Quelle für sauren Regen sowie für weitere unerwünschte Effekte sein kann.
• Es sind Versuche unternommen worden, den Schwefeldioxidgehalt der Gase aus der Verbrennungsreaktion (Rauchgase) durch ein als Trockensorptionsmittel-Injektion bekanntes Verfahren zu reduzieren. Ein Sorptionsmittel ist ein Stoff, der mit dem Schwefeldioxid unter Bildung eines relativ harmlosen, festen Stoffs reagiert, der aus den Rauchgasen mit herkömmlichen Vorrichtungen zur Entfernung fester Partikel entfernt werden kann. Beispiele für trocken injizierte Sorptionsmittel, die bereits eingesetzt worden sind, um Schwefeldioxid aus von der Verbrennung von Kohle stammenden Rauchgasen zu entfernen, beinhalten Karbonate oder Hydroxide von Magnesium und Kalzium. Kalkstein-(Kalziumkarbonat-)partikel sind als Trockensorptionsmittel-Injektionsstoff in kohlegefeuerten Kesseln verwendet worden. In einem solchen System wird das Schwefeldioxid der Rauchgase in Kalziumsulfat umgewandelt, welches einen harmlosen Feststoff darstellt, der als Baumaterial verwendet oder ohne negative Auswirkungen auf die Umwelt zur Geländeauffüllung benutzt werden kann. Anfänglich werden die Kalksteinoder Kalziumkarbonat-(CaCO&sub3;-)Partikel durch die Hitze aus der Verbrennungsreaktion in Kalk (CaO) kalziniert, wobei dann der Kalk in Gegenwart von Sauerstoff (aus der überschüssigen Luft in der Brennkammer) unter Bildung von Kalziumsulfat (CaSO&sub4;) reagiert.
• Wie oben angemerkt, sind Stickoxide in den Rauchgasen durch Verwendung verbesserter Brennerauslegungen reduziert worden. Eine solche Brennerauslegung beinhaltet im allgemeinen eine Düse, durch die der Brennstoff zusammen mit sogenannter Primärluft in die Brennkammer eingedüst wird. In die Brennkammer wird an der Brennstoffdüse benachbart liegenden Positionen Sekundärluft eingedüst, die gemeinsam mit der Primärluft für etwa das 0,7 bis 1,0-fache der stöchiometrischen Menge des für eine vollständige Verbrennung erforderlichen Sauerstoffs sorgt. Zusätzlich zur Primär- und Sekundärluft wird weiterhin Tertiärluft in die Brennkammer eingedüst, und zwar an Positionen, die entweder die Sekundärlufteinlässe unmittelbar umgeben oder aber einen größeren Abstand in Stromabrichtung dazu aufweisen.
• Die Verwendung einer Brenneranordnung des im vorstehenden Absatzes beschriebenen Typs vermindert oder eliminiert Spitzentemperaturen in der Flamme, die für Stickoxide verantwortlich sind, welche aus Stickstoff in der Verbrennungsluft stammen. Die genannte Brenneranordnung reduziert auch die Sauerstoffkonzentration in der Pyrolyse- oder chemischen Reaktionszone der Flamme, die die Bildung von Stickoxiden aus im Brennstoff enthaltenem Stickstoff steuert.
• Von anderer Seite sind Versuche unternommen worden, zumindest auf der Basis von Tests, Kalksteinpartikel in ein System einzudüsen, bei dem Brenner der Bauart verwendet werden, die einen geringen Prozentgehalt Stickoxide produzieren und die nachfolgend als Low-NOX-Brenner bezeichnet werden. Bei diesen Versuchen ist Kalkstein in die Brennkammer durch die Brennstoffdüsen, durch die Einlässe zum Zuführen der Sekundärluft (eng benachbart zur Brennstoffdüse angeordnet), durch Tertiärlufteinlässe, die die Einlässe für die Sekundärluft eng umgeben, und durch getrennte Kalkstein-Eindüseöffnungen eingedüst worden, die relativ weit stromab von den Einlässen für Brennstoff und Verbrennungsluft angeordnet sind. In den ersten drei Fällen wurde der Kalkstein mit Brennstoff und/oder der Verbrennungsluft, die an den Sekundär- und Tertiärlufteinlässen in die Brennkammer eintritt, vorgemischt.
• Alle im vorstehenden Absatz beschriebenen Kalkstein-Eindüsetechniken weisen jedoch Nachteile auf. Eine Eindüsung durch die Brennstoffdüse oder durch Sekundärlufteinlässe unmittelbar benachbart zu Brennstoffdüse oder auch durch die Sekundärlufteinlässe eng umgebende Tertiärlufteinlässe unterwirft die Kalksteinpartikel relativ hohen Temperaturen während relativ langer Zeitspannen, was ein Zusammensintern der resultierenden Kalkpartikel zur Folge haben kann, wodurch deren Oberfläche und dadurch ihre Fähigkeit zur Reaktion mit SO&sub2; verringert wird, wodurch die Entfernung von SO&sub2; verschlechtert wird. Eine Einleitung der Kalksteinpartikel relativ weit stromab von den Brennstoffdüsen und Verbrennungslufteinlässen verschlechtert die SO&sub2;-Entfernung, da die Temperaturen zu niedrig sind und/oder zu schnell abnehmen.
• Vormischen der Kalksteinpartikel mit der Verbrennungsluft hat Erosions- und Verstopfungsprobleme in den Zufuhrleitungen für die Verbrennungsluft zur Folge und verschlechtert erheblich die Genauigkeit, mit der die Partikel auf die Teilströme der einzelnen Luftauslässe, von denen gewöhnlich eine Vielzahl verwendet wird, aufgeteilt werden kann. Diese Probleme ergeben sich aufgrund der hohen Geschwindigkeit, mit der die Verbrennungsluft durch die Zufuhrleitungen strömt, nämlich z.B. mit 2.500 bis 5.000 ft/min (762-1524 m/min) sowie aufgrund der Tatsache, daß die Kalksteinpartikel unter Bedingungen des Transports in verdünnter Phase ("dilute phase transport") transportiert werden.
• Wenn die Geschwindigkeit der Förder- bzw. Verbrennungsluft reduziert wird, um die Erosions- und Verstopfungsprobleme zu vermindern, muß das Volumen der Förderluft erhöht werden, um den Kalkstein bei den geringeren Geschwindigkeiten bei Förderung in verdünnter Phase zu transportieren, was dazu führen kann, daß an einem gegebenen Auslaß oder an einer Reihe von Auslässen mehr Verbrennungsluft vorhanden ist als aus Gründen der Verbrennung oder sonstigen Überlegungen sinnvoll ist. Darüberhinaus vermindert ein Absinken der Geschwindigkeit, mit der die Verbrennungsluft in die Brennkammer eingeleitet wird, die Turbolenz und Mischungswirkung aufgrund der Verbrennungsluft, was unerwünscht ist. Weiterhin ist eine Mindestgeschwindigkeit erforderlich, damit die Verbrennungsluft die Kalksteinpartikel, die sie mit sich führt, innerhalb der Brennkammer richtig verteilt.
• Die Erfindung, so wie sie beansprucht ist, zielt darauf, ein Verbrennungsverfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Entfernen von Schwefeldioxid aus Rauchgasen zu schaffen, bei der die oben beschriebenen Probleme gelöst oder vermindert sind.
• Weitere Merkmale und Vorteile sind inhärent in dem beanspruchten Verfahren und der Vorrichtung enthalten oder offenbart und werden für den Fachmann aus der folgenden, detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine vertikale Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung; und
• Fig. 2 ist eine vergrößerte, bruchstückhafte Ansicht eines Teils der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung.
Detaillierte Beschreibung
• Zunächst auf Fig. 1 bezugnehmend, ist eine im ganzen mit 10 bezeichnete Ausführungsform eines Kessels zum Verbrennen von Brennstoff für die Beheizung von Wasser zum Zwecke der Dampferzeugung dargestellt. Die in Fig. 1 erläuterte Ausführungsform ist senkrecht angeordnet. Der Kessel 10 weist eine im ganzen mit 11 bezeichnete Brennkammer mit ersten und zweiten Verbrennungszonen 12, 13 auf. Die Brennkammer 11 wird durch Wärmetauscherwände 24 gebildet, auf deren gegenüberliegenden Seiten in herkömmlicher Weise Wasser strömt, um die in der Brennkammer 11 durch eine Verbrennungsreaktion erzeugte Wärme aufzunehmen. Die Wärmetauscherwände 24 können beispielsweise aus einem Ring senkrechter Röhren bestehen, durch die Wasser strömt.
• Mit der ersten Verbrennungszone 12 steht eine Anzahl vertikal beabstandeter Düsen 16, 17, 18 zum Einleiten von Brennstoff und Primärluft in die erste Verbrennungszone 12 in Verbindung. Eine Leitung 15 steht über jeweilige Zweigleitungen 116, 117 und 118 zum Einleiten von Brennstoff und Primärluft in die Düsen mit einer jeden Düse 16, 17, 18 in Verbindung. Benachbart zu den Düsen 16, 17, 18, und zwar um diese herum, sind jeweils Öffnungen 21, 22, 23 zum Einleiten von Sekundärluft in die Brennkammer angeordnet. Typischerweise sind in jedem vertikalen Niveau in Fig. 1 zwei Düsen und zwei Öffnungen vorhanden, was insgesamt jeweils sechs ergibt. Die Öffnungen 21-23 stehen mit einem unter Druck stehenden Windkasten 19 in Verbindung, der seinerseits mit dem stromaufgelegenen Ende einer Leitung 20 zum Einleitung vorgewärmter Luft in den Windkasten 19 verbunden ist.
• An das stromaufseitige Ende des Windkastens 19 ist eine Leitung 25 zum Leiten von vorgewärmter Luft in eine Windkastenerweiterung 26 angeschlossen, die mit einer Reihe von auf dem Umfang verteilt angeordneten, rohrförmigen Öffnungen 27 zum Einleiten von Tertiärluft in die sekundäre Verbrennungszone 13 in Verbindung steht. Typischerweise befinden sich sechs solcher Öffnungen in einem gleichen vertikalen Niveau, wobei in Fig. 1 lediglich eine Öffnung 27 dargestellt ist. Die sekundäre Verbrennungszone 13 und die rohrförmige Öffnung 27 sind mit einem Abstand oberhalb sämtlicher Düsen 16-18 und relativ weit in Richtung stromab davon angeordnet.
• Im wesentlichen koaxial innerhalb der rohrförmigen Öffnung 27 ist eine Leitung 28 angeordnet, die in einer offenen, stromabseitigen Mündung 29 endet. Die Leitung 28 wird zum Eindüsen von Kalksteinpartikeln in den Primärluftstrom verwendet, wenn dieser Strom in die zweite Verbrennungszone 13 eintritt. Es findet keine Vormischung der Kalksteinpartikel in Leitung 28 mit der Tertiärluft statt, bevor die Partikel in die zweite Verbrennungszone 13 an der Mündung 29 der Leitung eintreten.
• In einer typischen Ausführungsform, bei der sechs auf dem Umfang verteilt angeordnete Tertiärluftöffnungen 27 verwendet werden, kann eine Leitung 28 vier der sechs Öffnungen zugeordnet sein. Das Zuführen der Kalksteinpartikel durch vier auf dem Umfang mit Abstand verteilte Öffnungen 27 trägt zur weiten horizontalen Verteilung der Kalksteinpartikel in der sekundären Zone 13 im Vergleich zu einer Einleitung durch lediglich eine oder zwei Öffnungen bei. Die Kalksteinpartikel sind in einem Vorratstrichter 30 gespeichert, der sie in eine Leitung 31 einspeist, die sich unterhalb des Trichters 30 zur Leitung 28 hin erstreckt. Mit der Leitung 28 steht eine Leitung 32 in Verbindung, durch die ein Fördergas zum Transportieren der Kalksteinpartikel aus dem Trichter 30 durch die Leitung 28 strömt.
• Kalksteinpartikel stellen das bevorzugte Material zum Erzeugen von Kalkpartikeln durch Kalzinierung in der Brennkammer dar. Es können aber auch andere feinverteilte Stoffe verwendet werden, die Kalkpartikel bilden, wenn sie der Wärme in der sekundären Verbrennungszone ausgesetzt werden. Hierunter fallen Caziumhydroxid, Ca(OH)&sub2;, und Dolomit, CaMg(CO&sub3;)&sub2;, der unter Erzeugung eines Reaktionsprodukts kalziniert, welches zu etwa 80 Gew.-% aus Kalk und 20 Gew.-% zu MgO besteht. Das MgO nimmt gewöhnlich an der SO&sub2;-Entfernung in dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nennenswert teil.
• Die Gase aus der Verbrennungsreaktion werden in der Brennkammer 11 erzeugt und strömen aufwärts (stromab) über primäre und sekundäre Überhitzer 35, 36, die zum Überhitzen des im Kessel 10 erzeugten Dampfs dienen. Die Verbrennungsreaktions- oder Rauchgase strömen dann stromab durch eine Leitung 37, die mit herkömmlichen Einrichtungen (nicht dargestellt) zum Entfernen von Feststoffpartikeln aus dem Rauchgas und mit einer herkömmlichen Wärmetauschapparatur (nicht dargestellt) zum Vorwärmen der Luft, die schließlich durch Leitung 20 und 15 strömt, verbunden ist. Die gekühlten und gereinigten Rauchgase werden am Ende durch einen nicht dargestellten Schornstein in die Atmosphäre abgegeben.
• Am Boden des Kessels 10 ist eine Öffnung 38 zum Entfernen von Aschepartikeln angeordnet, die während der Verbrennungsreaktion innerhalb der Brennkammer 11 entstehen.
• Erfindungsgemäß wird eine Mischung von Primärluft und schwefelhaltigem Brennstoff durch Leitung 15 in die Düsen 16-18 geleitet. Der schwefelhaltige Brennstoff kann beispielsweise Kohle, Heizöl oder Koksofengas sein. Die Gesamtmenge an Primär-, Sekundär- und Tertiärluft ist im Überschuß gegenüber der stöchiometrisch erforderlichen Menge zur Verbrennung des durch die Düsen 16-18 eingeleiteten Brennstoffs. Typischerweise wird so viel Luft zugeführt, um einen Sauerstoffgehalt bereitzustellen, der etwa um 3% größer ist als die zur Verbrennung des gesamten Brennstoffs erforderliche, stöchiometrische Menge.
• Ein größerer Teil der Verbrennungsluft wird in die erste Verbrennungszone 12 durch die Düsen 16-18 und die Öffnungen 21-23 entweder gemeinsam mit dem Brennstoff oder eng benachbart zum Brennstoff eingeleitet, um diesen wenigstens teilweise zu verbrennen. Ein zweiter Teil der Luft, der den Rest der Luft bzw. die Tertiärluft darstellt, wird als "overfire air" in der Sekundärzone 13 durch die Öffnung 27 in die Brennkammer eingeleitet.
• Zumindest ein Teil der Verbrennung findet in der ersten Zone 12 statt, wobei der Inhalt der ersten Zone einschließlich der Produkte der Verbrennungsreaktion wie auch unverbrannter Brennstoff, sofern vorhanden, aus der ersten Zone 12 stromab durch die zweite Zone 13 strömen.
• Die in der ersten Verbrennungszone 12 erzeugte Flamme erstreckt sich stromab bis zur zweiten Verbrennungszone 13 als uneinheitliche Flammenfront, in der Flammenspitzentemperaturen vorhanden sind, die höher sind als andere Temperaturen im Bereich der Flammenfront.
• Um die Spitzentemperaturen der Flamme zu dämpfen und eine relativ gleichförmige Flammenfront in der zweiten Verbrennungszone 13 zu schaffen, wird der zweite Teil der Luft an einem Ort (Öffnung 27) und mit einer Geschwindigkeit (beispielsweise 5000 ft/min. bzw. 1524 m/min.) zugeführt, die geeignet sind, diese Zwecke zu erfüllen. Die sich ergebende, gleichförmige Flammenfront, in der Flarnmenspitzentemperaturen gedämpft sind, ist in Fig. 2 mit 42 bezeichnet. Die Minimalgeschwindigkeit des zweiten Teils der Luft sollte bei etwa 2500 ft/min. bzw. 762 m/min. liegen, um diese Ergebnisse zu erzielen.
• Die Gase, die sich durch die zweite Verbrennungszone 13 bewegen, enthalten Schwefeldioxid. Um das Schwefeldioxid in Kalziumsulfat umzuwandeln, werden feinverteilte Kalksteinpartikel gemeinsam mit dem und getrieben durch den zweiten Anteil der Luft in die zweite Zone 13 eingeleitet. Wie Fig. 2 zeigt, tritt ein Strom von Kalksteinpartikeln 33 in die zweite Verbrennungszone 13 am stromabseitigen, offenen Ende 29 der Leitung 28 ein. Der zweite Anteil der Luft, der an der Öffnung 27 in die zweite Verbrennungszone 13 eintritt, verteilt die Kalksteinpartikel in den durch die zweite Zone stromab stömenden Gasen. Die in die zweite Zone eintretenden Kalksteinpartikel werden stromab der ersten Zone 12 innerhalb kürzester Zeit ("flash-")kalziniert und bilden Kalkpartikel, die mit wenigstens einem Teil etwa vorhandenen Schwefeldioxids reagieren, und zwar in Anwesenheit von Sauerstoff aus dem Teil der Luft, der im Überschuß gegenüber der zur Reaktion mit dem Brennstoff erforderlichen stöchiometrischen Luftmenge ist, wobei Kalziumsulfat gebildet wird. Der Inhalt der zweiten Verbrennungszone 13 strömt von der ersten und zweiten Verbrennungszone 12, 12 stromab weg.
• Die Durchschnittstemperatur in der ersten Verbrennungszone 12 übersteigt die Sintertemperatur der Kalkstein- und Kalkpartikel (1316ºC oder 2400ºF). Der Ort und die Geschwindigkeit des zweiten Luftanteils ist so, daß ein durchschnittlicher Verarbeitungstemperaturbereich stromab der ersten Verbrennungszone 12 vorhanden ist, der sowohl unterhalb der Sintertemperatur für die Kalkstein- und Kalkpartikel als auch unterhalb der Temperatur liegt, bei der Kalziumsulfat in Kalk und gasförmige Schwefeloxide zerfällt (1349ºC oder 2460ºF). Sintervorgänge sind deshalb unerwünscht, da sie die Oberfläche der resultierenden Kalkpartikel verkleinern, was deren Reaktivität vermindert. Daher ist die Temperatur in der zweiten Zone 13 und stromab davon hoch genug für eine rasche ("Flash-")Kalzinierung der feinverteilten Kalksteinpartikel, aber niedrig genug, um ein Versintern der resultierenden Kalkpartikel zu vermeiden.
• Der durchschnittliche Verfahrenstemperaturbereich beträgt etwa 1600º-2400ºF (871º-1316ºC). Diese Temperatur ist hoch genug und herrscht während einer ausreichenden Zeitdauer, damit der Kalk, der stromab der ersten Verbrennungszone 12 gebildet wird, mit einer gewünschten Menge gasförmigen Schwefeldioxids während der Zeit reagieren kann, in der der Kalk und das gasformige Schwefeldioxid diesem Temperaturbereich unterworfen sind. Kalk und Schwefeldioxidgas unterliegen dem durchschnittlichen Verfahrenstemperaturbereich während mehr als 0,5 Sekunden, vorzugsweise während wenigstens 1,5 Sekunden. Die Kalksteinpartikel werden in weniger als 0,1 Sekunden zu Kalkpartikeln "flash-"kalziniert, so daß die restliche Zeit, während der die Partikel dem Temperaturbereich von 1600-2400ºF (871- 1316ºC) unterliegen, die Zeit ist, in der eine Reaktion mit Schwefeldioxid ablaufen kann. Unterhalb 1600ºF (871ºC) sind die Reaktionen, die Schwefeldioxid in Kalziumsulfat umwandeln, zu langsam, um noch praktikabel zu sein. Die Länge der Zeitspanne, in der Schwefeldioxid und Kalk dem gewünschten durchschnittlichen Verfahrenstemperaturbereich von 1600º-2400ºF (871º-1316ºC) unterliegen, kann erhöht werden, indem die Menge an überschüssiger Luft (z.B. von 3% auf 1,5%) verringert wird, indem die Geschwindigkeit, mit der Dampf erzeugt wird, verringert wird (d.h. der Wärmestrom, der durch die Wände 24 der Brennkammer 12 oder der Überhitzer 35 und 36 ausgetauscht wird), indem die Geschwindigkeit der Gase vermindert wird, die aus der Brennkammer stromab wegströmen, etc.
• Wie oben erwähnt, werden die in die zweite Verbrennungszone 13 eingeleiteten Kalksteinpartikel durch das Fördergas aus Leitung 32 bis zur Verbrennungszone hochgefördert. Bevor sie in die zweite Verbrennungszone 13 eintreten, wird den Kalksteinpartikeln durch das Fördergas eine Geschwindigkeit erteilt, die zwar ausreicht, die Kalksteinpartikel in die zweite Zone hinaufzufördern, aber in beabsichtigter Weise nicht ausreicht, um die Kalksteinpartikel über die zweite Zone zu verteilen. Dies minimiert die in die Leitung 28 eingeleitete Luftmenge und dadurch die Menge an Fremdluft, die in die Brennkammer eingeleitet wird, was von Vorteil ist, wie weiter unten noch im einzelnen erläutert wird.
• Die Verteilung der Kalksteinpartikel über die zweite Zone erfolgt mittels der Luft hoher Geschwindigkeit, die an der Öffnung 27 eingeleitet wird. Diese Luft hat eine Geschwindigkeit, die nicht nur die Flammen aus der ersten Verbrennungszone 12 fernhält, sondern auch die Kalksteinpartikel in die zweite Zone einsaugt und sie darüber verteilt. Wie Fig. 2 zeigt, wird die Verteilung aufgrund der Turbulenz 43 verbessert, die wenigstens teilweise dadurch erzeugt wird, daß der zweite Teil der Luft mit hoher Geschwindigkeit quer über die zweite Zone geleitet wird.
• In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Kalksteinpartikel zur zweiten Zone 13, d.h. zum offenen Ende 29 der Leitung 28, unter Bedingungen des Transports in kompakter Phase ("dense phase transport") hinaufbefördert. Dies geschieht dadurch, daß die Kalksteinpartikel, die aus der Leitung 31 in die Leitung 28 eintreten, mit Förderluft in einer Menge gemischt werden, die für einen Transport in kompakter Phase sorgt. Das minimale Verhältnis von Feststoffen zu Gas für einen Transport in kompakter Phase ist etwa 20 zu 1, und ein erfindungsgemäß typischerweise verwendetes Verhältnis beträgt etwa 90 zu 1. Die erforderliche Mindestgeschwindigkeit für einen Transport in kompakter Phase in Kalksteinpartikeln mit einer maximalen Partikelgröße von minus 100 Maschenweiten (mesh) auf Naßsiebbasis beträgt etwa 300 ft/min (91 m/min). Ein typischer Gasdruck in der Leitung 32 ist 15 bis 30 psig (103,5 bis 207 kPa).
• Die Bezeichnung "Naßsiebbasis" spiegelt die Tatsache wider, daß die Kalksteinpartikel vor dem Sieben gewässert worden sind, was das Heraussieben von Partiekeln ermöglicht, die sich als Ergebnis des Wässerns agglomeriert haben.
• Die Geschwindigkeit, mit der die Kalksteinpartikel durch die Leitung 28 zur offenen Rohrmündung 29 transportiert werden, kann über einen weiten Bereich variieren, z.B. von 300 ft/min (91 m/min) bis 10000 ft/min (3048 m/min), was nur einen geringen Einfluß auf die Verteilung der Kalksteinpartikel in der Zone 13 hat. Der Grund hierfür ist, daß die an der Öffnung 27 typischerweise mit einer Geschwindigkeit von 5000 ft/min (1524 m/min) eingeleitete Tertiärluft die Aufgabe der Verteilung der Kalksteinpartikel in der Zone 13 vollständig übernimmt, was selbst dann so ist, wenn die Geschwindigkeit in der Leitung 28 10000 ft/min (3048 m/min) beträgt. Die Geschwindigkeit der Partikel in der Leitung 28 spielt praktisch keine Rolle bei der Verteilung der Kalksteinpartikel in der Zone 13. Das relative Volumen der Luft, die sich durch die Leitung 28 bewegt, ist verglichen mit dem Volumen von an der Öffnung 27 in Zone 13 eintretender Tertiärluft unwesentlich, egal wie hoch die Geschwindigkeit in Leitung 28 ist. Obwohl dies aus der Zeichnung nicht hervorgeht, in der der Durchmesser der Leitung 28 aus Darstellungszwecken übertrieben groß dargestellt ist, ist die Querschnittsfläche der Elemente 25-27, durch die die Tertiärluft zugeführt wird, wesentlich größer als die der Leitung 28. Typischerweise sind sechs Tertiärluftöffnungen 27 jeweils mit einem Durchmesser von etwa 9 inches (229 cm) vorhanden, während lediglich vier Leitungen 28 mit jeweils einem Durchmesser von 1,5 inches (38 cm) vorhanden sind. Die gesamte Querschnittsfläche der letztgenannten beträgt weniger als 2% der gesamten Querschnittsfläche der erstgenannten. Demgemäß kann die Geschwindigkeit in Leitung 28 so niedrig wie möglich gewählt werden, d.h. gerade hoch genug, um einen Transport in kompakter Phase sicherzustellen, wobei die Partikelverteilung in Zone 13 im wesentlichen nicht anders ist, als wenn eine größere Geschwindigkeit in Leitung 28 gewählt würde.
• Zum Einleiten und Verteilen der Kalksteinpartikel in die bzw. in der Brennkammer wird im wesentlichen keine Fremdluft verwendet. Dies ist deshalb so, weil die zweite Luftmenge, die die Aufgabe der Kalksteineinleitung und -verteilung an Öffnung 27 wahrnimmt, normalerweise ohne Kalksteineindüsungen für Zwecke der Verbrennung verwendet würde. Die hierbei verwendete Bezeichnung "Fremdluft" bezieht sich auf Luft, die zu der normalerweise für Verbrennungszwecke gebrauchten Luft im Überschuß steht. Die Menge der Luft, die für Transport in kompakter Phase der Kalksteinpartikel in Leitung 28 verwendet wird, ist im Vergleich zu den beiden Anteilen der Haupt- und Sekundärluft, die an den Düsen 16 bis 18, Öffnungen 21 bis 23 und Öffnung 27 eingeleitet wird, unbedeutend. Da im wesentlichen die gesamte Luft, die in die Brennkammer eingeleitet wird, gerade der Luftmenge entspricht, die normalerweise für Verbrennungszwecke zugeführt wird, tritt eine Minimierung oder sogar eine völlige Eliminierung jeglicher nachteiliger Wirkungen auf, die die Zufuhr der Kalksteinpartikel mittels Luft auf die Dampferzeugungseigenschaften des Brennstoffs und der Verbrennungsluft haben könnten, d.h. von Nachteilen, die bei Verwendung von Fremdluft auftreten könnten.
• Wie oben angemerkt, tritt keine Vormischung der Kalksteinpartikel mit dem zweiten Teil der Verbrennungsluft auf, bevor diese in die zweite Verbrennungszone 13 bei 27 und 29 eintreten. Daher kann der zweite Teil der Verbrennungsluft in die zweite Zone 13 mit einer beliebig hohen Geschwindigkeit zugeführt werden, die erforderlich ist, um die erwünschten Abdämpf-, Turbulenz-, Partikelmisch- und Verteilwirkungen zu schaffen. In Leitung 25, Verlängerung 26 oder Öffnungen 27 gibt es keine Erosions- oder Verstopfungsprobleme, da dort keine Kalksteinpartikel durchströmen. Geschwindigkeit und Volumen der an den Öffnungen 27 eingeleiteten Verbrennungsluft ergeben sich aus Überlegungen bezüglich des Transports des Kalksteins.
• Die Kalksteinpartikel bewegen sich beim Transport in kompakter Phase durch die Leitung 28 mit einer relativ sehr geringen Geschwindigkeit, d.h. mit beispielsweise etwa 360 ft/min (110 m/min). Bei so geringen Geschwindigkeiten tritt praktisch keine Erosion in Leitung 28 auf, und die Wahrscheinlichkeit der Verstopfung dieser Leitung ist auch wesentlich vermindert. Die Wahrscheinlichkeit einer Verstopfung steigt mit der Geschwindigkeit der Bewegung der Partikel. Die Geschwindigkeit des zweiten Teils der Luft beträgt 2500 bis 5000 ft/min (762 bis 1524 m/min), so daß die Geschwindigkeit der Partikelbewegung in Leitung 25 wesentlich größer wäre als in Leitung 28, wodurch daher die Wahrscheinlichkeit einer Verstopfung wesentlich größer wäre, wenn eine Vormischung vorhanden wäre.
• Wenn sich die Kalksteinpartikel unter Bedingungen des Transports in kompakter Phase bewegen, z.B. bei einem Verhältnis von Feststoffen zu Gas von 90 bis 100 zu 1 oder höher, kann der Strom der Kalksteinpartikel sehr genau in Teilströme aufgeteilt werden, indem lediglich die Querschnittsfläche der Leitungen der Teilströme gesteuert wird. Beispielsweise kann ein Strom beim Transport in kompakter Phase in zwei gleiche Teilströme aufgeteilt werden, indem zwei Teilstromleitungen mit gleichen Querschnittsflächen bereitgestellt werden. Diese Möglichkeit besteht unter Bedingungen des Transports in verdünnter Phase nicht.
• Wie bereits gesagt, ist die Reaktivität der Kalkpartikel ein Faktor, der die Umwandlung von Schwefeldioxid in Kalziumsulfat beeinflußt. Die Reaktivität ist um so größer, je größer die Cberfläche des Kalks ist. Erfindungsgemäß wird die gewünschte Oberfläche dadurch bereitgestellt, indem Kalksteinpartikel zugeführt werden, die kleiner als 100 Maschenweiten (weniger als 150 Mikron) auf Naßsiebbasis sind. Vorzugsweise haben die Kalksteinpartikel auf Naßsiebbasis eine Größe im Bereich zwischen etwa 5 Mikron und minus 100 Maschenweiten, was für die erforderliche Reaktion zur Eliminierung von Schwefeldioxidgas im notwendigen Ausmaß ausreicht. Typischerweise sind etwa 70 % der Kalksteinpartikel kleiner als 200 Maschenweiten (weniger als 75 Mikron) auf Naßsiebbasis.
• Wenn eine ausreichende Reaktivität bei einer gegebenen Kalksteinpartikelgröße nicht erzielt wird, kann die Reaktivität durch Verkleinern der Partikelgröße erhöht werden, wobei alle anderen Faktoren konstant gehalten werden. Eine Verkleinerung der Partikelgröße erhöht die Oberfläche des Kalks und führt zu einer besseren Verteilung der Partikel, erhöht jedoch auch die Kosten. Typischerweise wird die größte Partikelgröße im Bereich von etwa 5 Mikron bis minus 100 Maschenweiten verwendet, die zu dem gewünschten Ausmaß von SO&sub2;-Entfernung führt. Die Menge des eingedüsten Kalksteins hängt von der Menge an Schwefeldioxid ab, das in Kalziumsulfat umgewandelt werden muß, welche wiederum von anfänglichen und letztlich erwünschten Gehalt an Schwefeldioxid im Rauchgas abhängt. Allgemein gesprochen erhöht eine Vergrößerung des Verhältnisses von Kalk zu Schwefel den Abscheidungsgrad an Schwefeldioxid, wenn auch nicht in linearer Weise.
• Obwohl der zweite Teil der Luft, der an der Öffnung 27 in die zweite Verbrennungszone 13 eintritt, vorgewärmt worden ist, ist diese Luft relativ kalt im Vergleich zu den Temperaturen der Gase, die aus der Zone 12 in die Zone 13 eintreten. Die Kalksteinpartikel treten innerhalb des Luftstroms in die zweite Zone ein, der den Teil der Sekundärluft bildet.
• Wie bereits bemerkt, treten im Inhalt der ersten Zone, der sich stromab zur zweiten Zone bewegt, Spitzentemperaturen auf, die hoch genug sind, um ein Sintern der Kalksteinpartikel zu bewirken. Der zweite Teil der Luft, der durch Öffnung 27 eintritt, bewirkt eine Pufferung der Kalksteinpartikel gegenüber den vorstehend beschriebenen Spitzentemperaturen, wodurch ein Sintern der Kalksteinpartikel vermieden wird.
• Über die vorstehend beschriebenen Vorteile hinaus hat das Eindüsen von Kalkstein in die Brennkammer des Kessels weitere Vorteile zur Folge. Beim Betrieb des Kessels bilden sich normalerweise Ablagerungen von Ruß usw. auf der Innenfläche der Kesselwände, beispielsweise an der zweiten Verbrennungszone 13. Es entspricht herkömmlicher Praxis, diese Ablagerungen unter Verwendung eines Verfahrens zur entfernen, das als Ruß- Abblasen bekannt ist, wobei Dampf durch den Kessel geblasen wird und dadurch die Ablagerungen abgereinigt werden. Dieses Verfahren wird periodisch während des Betriebs des Kessels ausgeführt (z.B. während einer halben bis einer Stunde und 3 bis 6 mal am Tag). Wenn Kalkstein bei 27 in die Zone 13 eingedüst wird, wird ein Teil des in der Zone 13 gebildeten Kalks unvermeidlich in die Ablagerungen eingebettet. Kalk macht die Ablagerungen brüchiger und leichter zu entfernen.
• Darüber hinaus wird Kalk, wenn die Ablagerungen durch Ruß-Abblasen von den Kesselwänden entfernt werden, aus den Ablagerungen in die zweite Verbrennungszone 13 und darüber eingeleitet, was zu einem Absenken des SO&sub2;-Gehalts aufgrund der Reaktion zwischen SO&sub2; und dem aus den abgereinigten Ablagerungen stammenden Kalk führt. Während des Ruß-Abblasens wird die SO&sub2;-Entfernung um 5 bis 10 % (auf einer 100 %-Basis) erhöht. Mit anderen Worten, wenn SO&sub2; vor dem Ruß-Abblasen zu 40 % entfernt wurde, wird es während des Ruß-Abblasens zu 45 bis 50 % entfernt. Dies ermöglicht, den bei 29 während der Ruß-Abblasezeit eingedüsten Kalkstein ohne eine entsprechende Verschlechterung der SO&sub2;-Entfernung zu reduzieren.
• Während Zeiten, in denen die Kalksteineindüsung bei 29 zeitweilig aufgehoben ist, geht die Entfernung von SO&sub2; aufgrund des Kalkgehalts auf der Innenfläche der Kesselwände dennoch weiter. Insbesondere wird SO&sub2; in den Ablagerungen absorbiert und reagiert unter Bildung von Kalziumsulfat (CaSO&sub4;) mit dem darin befindlichen Kalk. Dies kann sich über bis zu 3 Tage mit abnehmender SO&sub2;-Entfernung fortsetzen, ausgehend von etwa 5 bis 7 % SO&sub2;-Entfernung zu Beginn der stillstandsperiode der Kalksteineindüsung. Sollte es daher notwendig sein, die Vorrichtung zum Eindüsen des Kalksteins abzuschalten, z.B. aus Wartungs- oder sonstigen betrieblichen Gründen, geht die SO&sub2;- Entfernung wenigstens in einem gewissen Maße für einige Zeit weiter.
• Das Ruß-Abblasen sollte während der Zeit, in der die Kalksteineindüsung abgeschaltet ist, so gesteuert werden, daß die Ablagerungen oder Teile davon und damit deren SO&sub2;-absorbierende Funktion während dieser Zeit zurück- bzw. aufrechterhalten werden. Beispielsweise erfolgt nach dem Auftreten einer SO&sub2;- Absorption in einer Ablagerung während einer gewissen Zeit ein Aufbau von Kalziumsulfat in einer äußeren Schicht der Ablagerung. Anschließend wäre ein Ruß-Abblasen während einer verkürzten Zeit wünschenswert, die gerade ausreicht, um diese äußere Schicht zu entfernen und eine frische Außenschicht frei von Kalziumsulfat freizulegen. Es wäre dagegen nicht wünschenswert, die gesamte Ablagerung in einem einzigen Rußabblase-Vorgang zu entfernen. Wenn die SO&sub2;-absorbierenden Eigenschaften der innersten Schicht der Ablagerungen erschöpft sind, kann der Rest der Ablagerungen mittels Ruß-Abblasen entfernt werden.
• Ein weiterer Vorteil, der sich aus der Eindüsung von Kalkstein ergibt, ist die Eliminierung von Säuren aus dem gesamten Kesselsystem, sowohl aus der Brennkarnmer als auch von weiter stromab gelegenen Komponenten. Säuren können sich als Ergebnis der Verbrennungsreaktion bilden. Diese Säuren beinhalten hauptsächlich Schwefelsäure, aber auch Salz- und Salpetersäuren. Säuren sind unerwünscht, da sie, wenn sie sich irgendwo im System aus den Rauchgasen abscheiden, die Bauteile des Systems unter anderem schwer korrodieren können. In der Vergangenheit entsprach es herkömmlicher Technik, das Kesselsystem so zu betreiben, daß eine Austrittstemperatur der Rauchgase oberhalb des Taupunkts der Säuren erzielt wurde, d.h. eine Austrittstemperatur am Kamin im Bereich von 300 bis 350ºF (148º bis 177ºC). Dies verhindert, daß die Säuren aus den Rauchgasen irgendwo im System kondensieren, wird aber auf Kosten der Wärmenutzung an anderer Stelle, d.h. zum Erzeugen von Dampf, erreicht.
• Die Eindüsung von Kalkstein führt zu Kalk, der die Säuren neutralisiert. Daher ist die Kondensation von Säuren aus den Rauchgasen kein Problem, und die Rauchgase brauchen nicht auf einer Abgastemperatur oberhalb des Taupunkts der Säuren gehalten werden. Im Ergebnis kann das System mit einer niedrigeren Kaminaustrittstemperatur betrieben werden, z.B. mit 110º bis 250ºF (43º bis 121ºC), und es kann eine größere Wärmemenge zur Erzeugung von Dampf aus den Rauchgasen entnommen werden.
• Die vorstehende detaillierte Beschreibung dient lediglich zur Klarheit des Verständnisses und sollte nicht zu unnötigen Einschränkungen Anlaß geben, da Modifikationen für den Fachmann offensichtlich sind.

Claims (6)

1. Verbrennungsverfahren, bei dem ein schwefelhaltiger Brennstoff und Verbrennungsluft in eine erste Zone einer Brennkammer eingeleitet und verbrannt werden und um Schwefeldioxid (SO&sub2;) enthaltende, stromab strömende Verbrennungsreaktionsgase erzeugen, wobei feinverteilte Partikel eines Materials, das zu Kalk kalzinierbar ist, wenn es der Wärme in der Brennkammer ausgesetzt wird, durch einen Einlaß in eine zweite Zone der Kammer stromab der ersten Zone in einer ausreichenden Menge zugeführt werden, um den SO&sub2;-Gehalt der Verbrennungsreaktionsgase wesentlich zu reduzieren, und wobei die Partikel stromab der ersten Zone zu Kalk (CaO) kalziniert werden, der mit wenigstens einem Teil eines jeglichen anwesenden SO&sub2; reagiert, um Kalziumsulfat (CaSO&sub4;) in der Kammer zu erzeugen, und wobei das Verfahren weiterhin wenigstens eine der folgenden Kombinationen von Schritten, (a) oder (b), umfaßt, um die Menge des kalkbildenden Materials, das in die Brennkammer zugeführt wird, zu reduzieren, während weiterhin der SO&sub2;-Gehalt der Verbrennungsreaktionsgase reduziert wird:

(a) Bilden von Ablagerungen auf den Innenwandflächen der Brennkammer während des Verbrennungsvorgangs;

Einlagern von Kalk aus den Partikeln des Materials in die Ablagerungen;

Ruß-Abblasen, nachdem eine Ansammlung der Ablagerungen stattgefunden hat, um die Ablagerungen von den Innenwandflächen zu entfernen; und

Reduzieren der Menge des kalkbildenden Materials, das in die Brennkammer zugeführt wird, während des Schritts des Ruß-Abblasens, ohne wesentliche Reduzierung der vor dem Schritt des Ruß-Abblasens erzielten Abnahme des Schwefeldioxidgehalts;

(b) Bilden von Ablagerungen auf den Innenwandflächen der Brennkammer während des Verbrennungsvorgangs;

Einlagern von Kalk aus den Partikeln des Materials in die Ablagerungen;

zeitweises Unterbrechen des Zuführens während einer Zeitspanne, nachdem während einer gewissen Zeit zugeführt wurde;

Absorbieren wenigstens eines Teils des SO&sub2; durch den Kalk in den Ablagerungen während wenigstens des frühen Teils der Zeitspanne des zeitweiligen Unterbrechens;

Anwendung von Ruß-Abblasen zur Entfernung der Ablagerungen; und

Aussetzen des Ruß-Abblasens, während SO&sub2; in den Ablagerungen absorbiert wird.

2. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Kombination von Schritten (b) ist, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aussetzen des Ruß-Abblasens während einer Zeitspanne das Ruß-Blasen danach nur teilweise ausgeführt wird, um lediglich eine äußere Schicht der Ablagerungen zu entfernen und eine frische Außenschicht der Ablagerungen zur Absorption von SO&sub2; freizulegen.

3. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch:

Bilden von Säuren in dem die Brennkammer umfassenden Verbrennungssystem als Folge des Verbrennungsschritts;

Neutralisieren der Säuren mit Kalk; und

Abgeben der Verbrennungsreaktionsgase aus dem Verbrennungssystem bei einer Abgastemperatur unterhalb des Taupunkts der Säuren.

4. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsreaktionsgase aus dem Verbrennungssystem bei einer Abgastemperatur unterhalb 250ºF (121ºC) abgegeben werden.

5. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren sowohl (a) als auch (b) umfaßt.

6. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren sowohl (a) als auch (b) umfaßt.