CH650162A5 - Verbrennungsverfahren mit reinigung der verbrennungsluft und/oder der abgase. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbrennungsverfahren mit Reinigung der Verbrennungsluft und/oder der erzeugten Abgase, wobei die Verunreinigungen in der Verbrennungsluft und/oder in den Abgasen, wie z.B. Schwefelverbindungen, Schwermetalle und ähnliche Verunreinigungen, kondensiert und/oder niedergeschlagen und zusammen mit partikelförmigen Stoffen in einer oder mehreren Stufen Druck, Kühlung und Expansion unterworfen werden.

Es sind zahlreiche Verfahren zum Reinigen und/oder Entfeuchten von Abgasen bekannt. Nur beispielsweise wird auf DE-OS 2 013 049, US-PS 3 012 629 und SW-PS 345 066 verwiesen. Bei diesen Verfahren lassen sich jedoch die aus dem Verbrennungsprozess anfallenden Abgase nicht genügend wirksam reinigen, insbesondere dann, wenn beim Verbrennen von schwefelhaltigen Brennstoffen stark verschmutzte Abgase anfallen, die auch einen relativ hohen Anteil von Schwermetallen enthalten. Demgemäss wurden Versuche unternommen, um derartige Schwierigkeiten zu überwinden; der Brennstoff wurde in gasförmige Form überführt, um eine saubere Verbrennung zu erreichen und der Verbrennungsprozess wurde im Schwebebettverfahren durchgeführt. Derartige Verfahren haben jedoch zu weiteren Schwierigkeiten bezüglich der Prozesssteuerung und Weiterbehandlung der Restprodukte geführt, ferner zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbrennungsverfahren vorzuschlagen, das einen hohen Anlagen-Wirkungsgrad aufweist, und mit welchem die Verbrennungsluft und/oder die Abgase sehr stark gereinigt werden können, und zwar auch dann, wenn sehr geringwertige Brennstoffe verbrannt werden, wie beispielsweise sehr feuchte Kohle mit hohem Schwefelgehalt.

Das vorgeschlagene Verfahren ist gemäss den in den Patentansprüchen wiedergegebenen Merkmalen aufgebaut.

Das Verfahren kann als Wärmepumpprozess angesehen werden, da dem Kompressor Energie zugeführt wird; die in der Expansionseinrichtung abgegebene Energie genügt nämlich nicht, um das Kompressionsverfahren und damit das er-findungsgemässe Verfahren durchzuführen. Bekannte Hochdruckkessel sind derart aufgebaut, dass die den Kompressor treibende Abgasturbine ohne zusätzliche Leistung auskommt.

Ein entscheidender, durch das vorgeschlagene Verfahren herbeigebrachte Vorteil besteht darin, dass die Verunreinigungen in «sauberer» und konzentrierter Form abgetrennt werden, ohne dass sie chemisch an andere Substanzen als an Wasser gebunden sind. Geringwertige Kraftstoffe enthalten oft hohe Mengen Wassers, das bei bekannten Verfahren dieser Art vor der Verbrennung zerlegt werden muss, wobei erhebliche Energiemengen verlorengehen. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren ist dies jedoch nicht der Fall; hier wird im Gegensatz eine entsprechende Energiemenge ausgenutzt. Die Abgase enthalten zwar Wasserdampf, jedoch wird durch Abkühlen der Gase in einer oder mehreren Stufen auf eine unterhalb den Taupunkten von Wasser und Schwefelsäure liegende Temperatur die Verdampfungswärme ausgenutzt und es wird gleichzeitig ein guter Reinigungseffekt erzielt. Da geringwertige Brennstoffe grosse Mengen von Asche und partikelförmigem Material erzeugen, ist es oft zweckmässig, das Kondensat in besonderen Düsen in eine Kühlstufe umzuwälzen, zweckmässigerweise in einem economizer, und die genannte Asche sowie die partikelförmigen Bestandteile wegzuspülen.

Die einzelenen Elemente, insbesondere die unter Druck befindlichen, sind unter derartigen Bedingungen der Korrosion ausgesetzt. Dies lässt sich jedoch dadurch vermeiden, dass man diese Elemente aus Glas oder Kunststoff fertigt. Weiterhin kann die Expansionseinrichtung Kavitationsschäden unterliegen, sofern flüssige und feste Stoffe stromaufwärts der genannten Expansionsmittel nicht wirkungsvoll entfernt werden. Wird eine mit einem Rotor ausgerüstete Expansionsmaschine verwendet, beispielsweise eine umlaufende Gasturbine, so ist im Hinblick auf die geringen Temperaturen, bei welchen der Prozess abläuft, der Schmierung besondere Aufmerksamkeit zuzuwenden, ferner der Gefahr der Beschädigung und der Eisbildung auf den Turbinenschaufeln. Diese Gefahren lassen sich jedoch dadurch ausschalten, dass eine Expansionseinrichtung der Schraubenro-torbauart statt einer Turbine verwendet wird.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 zeigt eine Schemadarstellung mit der Zufuhr verunreinigter Abgase zu dem Kompressor.

Fig. 2 ist eine Darstellung ähnlich jener gemäss Fig. 1, wobei jedoch die Verbrennung der Brennstoffe stromabwärts des Kompressors stattfindet.

Fig. 3 ist eine genauere Darstellung des in Fig. 2 veranschaulichten Verfahrens.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform werden Luft und Brennstoff einer Brennstelle zugeführt, die in diesem Falle ein Dampfkessel 1 ist. Die verunreinigten Abgase werden von Kessel 1 einem Kühler 2 und von dort einem Kompressor 3 zugeführt, an dessen Einlass die Abgase den Zustand I haben. Sodann werden die Abgase von dem Kompressor beim Zustand II einem Kühler 4 zugeleitet und gelangen von dort beim Zustand III zu einer Expansionseinrichtung 5, an deren Ausgang die Gase mit dem Zustand IV einem Sammelbehälter 6 zuströmen. Die trockenen, kalten und sauberen oder sogar inerten Gase gelangen aus Behälter 6 zu einem Kamin 7. Hier sind Vorkehrungen getroffen, um

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zu verhindern, dass die Gase auf den Boden herabfallen; hierzu gehört beispielsweise das Aufheizen der Gase und/ oder deren Vermischung mit Umgebungsluft. Die kalten Gase können jedoch noch produktiver für Kühlzwecke eingesetzt werden, beispielsweise durch deren Zuführung zum Kühler 2 oder zu benachbarten Gebäuden, industriellen Anlagen oder Vergnügungseinrichtungen, in welchen ein Kältebedarfherrscht.

Die Expansionsmaschine 5 ist derart gestaltet und angeordnet, dass sie über eine Welle 8, die die genannte Maschine mit dem Kompressor verbindet, den Kompressor 3 antreibt. Gemäss der Erfindung wird mittels eines Motors 9, der an die Antriebswelle des Kompressors 3 angeschlossen ist, zusätzliche Leistung dem Kompressor 3 zugeführt.

Temperatur und Druck werden gemäss den Bedingungen der Zustände I, II und III derart angepasst, dass die gewünschte Kondensation des in den Gasen enthaltenen Wasserdampfes, und die Trennung von Kondensat, Russ, Staub, Schwefelsäure usw. im Kühler 4 erfolgt, so dass die Temperatur der Gase beim Zustand IV derart niedrig ist (bis herab zu beispielsweise — 60 °C bis — 65 °C), dass die gewünschten Teile der verbleibenden Verunreinigungen und die Eiskristalle in Behälter 6 gesammelt werden können. An dieser Stelle sei darauf verwiesen, dass das Aufbessern der Temperatur-und Druckwerte derart rasch stattfindet, dass für die Mehrzahl der verunreinigenden Substanzen der Übergang von Gas zu Feststoffen über eine flüssige Phase stattfindet, die derart lange dauert, dass die Möglichkeit chemischer Reaktionen zwischen den verschiedenen Niederschlägen ausgeschlossen ist.

Der in Fig. 2 veranschaulichte Prozess, der in Fig. 3 noch mehr in Einzelheiten dargestellt ist, unterscheidet sich von jenem gemäss Fig. 1 dadurch, dass die Verbrennungsstelle in Gestalt des Kessels 1 hier auf der Druckseite des Kompressors 3 plaziert ist. Alternativ zum Verbrennungsprozess lässt sich vorteilhafterweise eine Brennkraftmaschine, am besten ein Dieselmotor, verwenden, der von Kompressor 3 gespeist wird.

Das in Fig. 3 veranschaulichte Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte: Die in der Figur angegebenen Werte basieren auf einem Gasvolumen, das durch den Kessel hindurchströmt, genauer gesagt auf der Luftmenge, die notwendig ist, um 1 kg Öl zu verbrennen.

Die Verbrennungsluft wird aus der Umgebung genommen und durch Kühler 2 hindurchgeleitet, in welcher sie durch die kalten Abgase gekühlt wird, um die Belastung des Kompressors zu vermindern.

Der zuvor erwähnte Zustand I umfasst die folgenden Daten:

Masse M = 15 kg

Druck Pi = 1 bar

Temperatur Ti = 0°C

Die Luft enthält 57 g Wasserdampf, gesättigte Luft.

Die Luft wird sodann im Kompressor 3 komprimiert. Aufgrund der Wirkungsgradverluste muss die zugeführte Arbeit höher als die theoretisch an sich notwendige sein.

Dies führt zu einem Anstieg der Temperatur über jenen Wert hinaus, der durch die adiabate Kompression berechnet würde. Zustand II herrscht dann, wenn die folgenden Werte vorliegen:

Druck P2 = 5 bar

Temperatur T2 = 187 °C.

Das 01 wird sodann in dem unter Druck stehenden System in Anwesenheit der Verbrennungsluft verbrannt und die Abgase werden durch Kessel 1 in üblicher Weise hindurchgeleitet.

Aus Fig. 3 erkennt man, dass Kessel 1 in der angegebe- . nen Reihenfolge eine Brennkammer 11, einen Dampferzeuger 12 mit einem hieran angeschlossenen Dampfdom 13, einen Überhitzer 14, eine hieran angeschlossene Dampfturbine 15, einen Economizer 16, einen Gaswäscher 17 und einen hierauf folgenden Gaskühler 18 umfasst. Zwischen Dampfturbine 15 und Wäscher 17 ist ein Kondensor 19 mit einem Kaltwasserkreis 20 angeschlossen, der ebenfalls an den Gaskühler 18 angeschlossen ist.

Liegt die Temperatur des verfügbaren kalten Wassers bei 10 °C, so lässt sich die Kondensortemperatur auf 25 °C halten. Hierdurch kann auf einen Gaskühler stromabwärts des Economizers verzichtet werden. Hat jedoch das Kühlwasser andererseits eine höhere Temperatur, oder müssen die zu reinigenden Abgase auf einen relativ hohen Reinheitsgrad gebracht werden, so sollte ein Gaskühler verwendet werden. Zustand III herrscht bei den folgenden Werten:

Druck P3 = 5 bar Temperatur T3 = 40 °C Das Gas enthält 150 g Wasserdampf.

Während des Verbrennungsprozesses wird eine relativ grosse Menge Wasserdampf gebildet, wenn auch der grösste Teil dieses Wasserdampfes im Economizer kondensiert. Der Wasserdampf führt den grössten Teil des in den Abgasen enthaltenen Russes und der festen Partikel mit sich fort. Dies begründet den hohen Wirkungsgrad des Verfahrens zu einem wesentlichen Teil. Das Prozesswasser oder Kondensat wird aus dem Kessel zu einem unter Druck stehenden Ventil geleitet.

Die Abgase werden nach dem Durchlaufen des Kessels der Turbine 5 zugeführt, in welcher sie einen Teil ihrer Energie abgeben. Der adiabatische Wärmeabfall führt dazu, dass das in den Gasen verbliebene Wasser zu Eiskristallen kondensiert, während die Verunreinigungen nach und nach ausfallen. Der verbleibende Schlamm wird im Sammelbehälter 6 stromabwärts von Turbine 5 aufgenommen.

Beim Zustand IV (stromabwärts der Turbine) liegen die folgenden Werte vor:

Temperatur T4 = 33 °C Druck P4 = 1 bar

Das Gas enthält weniger als ein Gramm Wasserdampf. Sofern diese Endtemperatur keine genügend hohe Reinigungswirkung ermöglicht, lässt sich der Druck im Kessel anheben oder, wie im Falle des folgenden Beispieles, lässt sich die Temperatur T3 auf +15 °C mit Hilfe des Gaskühlers 18 absenken.

Ein Temperaturwert von T3 = +15 °C führt zu einem Wassergehalt von 42 g im gesamten Gasvolumen. T4 wird dann zu — 66 °C.

T4 ist das Ergebnis von a) der adiabatischen Temperaturdifferenz; b) der Verluste des Turbinen-Wirkungsgrades (was zu einer Steigerung der Gastemperatur führt); c) der Verdampfungswärme plus der Fusionswärme jenes Teiles des Wassers, das stromabwärts der Turbine kondensiert ist. Es lässt sich nachweisen, dass eine Endtemperatur von — 55 °C bis — 60 °C eine hohe Reinigungswirkung zur Folge hat, und dass T3 dann zweckmässigerweise oberhalb 20 °C liegt. So herrschen im Falle des in Fig. 3 veranschaulichten Ausführungsbeispieles bei Verwendung des Gaskühlers 18 mit einer Kühlwassertemperatur von 5 °C, was zu T3 = 20 °C führt, bei Zustand IV die folgenden Werte:

Druck P4 = 1 bar Temperatur T4 = — 60 °C.

Liegt die Endtemperatur unter —60 °C, so beginnt Kohlendioxyd zu kondensieren. Obgleich Kohlendioxyd ein Produkt ist, das gewerblich verwertbar ist, kann sein Entstehen im vorliegenden Falle Probleme nach sich ziehen.

Da der Verbrennungsprozess im Kessel 1 unter Druck stattfindet, wird das Flammenvolumen reduziert, während der Verbrennungsdurchsatz und die Flammentemperatur

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und damit auch die Intensität der Strahlung im Vergleich zu herkömmlichen Kesseln ansteigen. Ein in Verbindung mit der Erfindung verwendeter Kessel kann daher kleiner als ein üblicherweise verwendeter Kessel sein. Dies ist u.a. beim Umbau eines alten Systemes in ein modernes, sauberes und wirtschaftliches System gemäss der Erfindung wichtig, da lediglich der Kessel ausgetauscht werden muss.

Wird das Verbrennungsverfahren gemäss der Erfindung ausgeführt, so lässt sich ebensogut Öl, Kohle oder Pech verwenden, auch wenn der Wassergehalt 50% überschreitet. In normalen Fällen bei einem Druck von 64 bar im Dampfkreis, einer Kondensortemperatur von 30° und einem Kesseldruck von 5 bar beträgt der maximale Wassergehalt für Öl 55% und für Kohle 56% (jeweils Gewichtsprozente).

Es versteht sich, dass die Möglichkeit des wirkungsvollen Einsatzes von Brennstoff in Gestalt pulverisierter Kohle mit hohem Wassergehalt von grösster Bedeutung ist. Es ist dann beispielsweise möglich, die pulverisierte Kohle, die mit Wasser vermischt ist, dem Brennraum im Kessel zuzupumpen.

Ein derartiger Brennstoff, der als «flüssige Kohle» bezeichnet wird, lässt sich ähnlich wie Öl fördern. Ein im Handel erhältliches, schwedisches Erzeugnis dieser Art wird unter dem Namen «CARBOGEL» vertrieben und enthält feingemahlene Kohle und Wasser, ferner weitere Zuschläge, die das Absetzen der Kohle verhindern. Dieser Kraftstoff hat einen Energiegehalt von 8,9 MWh/m3, verglichen mit einem Wert von 10,3 MWh/m3 im Falle von Öl. Hieraus erkennt man, dass die Kosten wesentlich geringer als die Hälfte der Kosten bei Verbrennung von Öl sind.

Im Hinblick auf die Tatsache, dass das beschriebene Verfahren kontinuierlich arbeitet und dass demgemäss grosse Gasmengen ohne zusätzliche Chemikalien durchgesetzt werden können, erkennt man die entscheidenden Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren, die das Einsetzen von Expansionsgerät zum Reinigen der Abgase umfassen. Das Reinigen wird bei bekannten Systemen und Anlagen diskontinuierlich ausgeführt.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

650162 PATENTANSPRÜCHE

1. Verbrennungsverfahren mit Reinigung der Verbrennungsluft und/oder der erzeugten Abgase, wobei die Verunreinigungen in der Verbrennungsluft und/oder in den Abgasen kondensiert und/oder niedergeschlagen und zusammen mit partikelförmigen Stoffen in einer oder mehreren Stufen Druck, Kühlung und Expansion unterworfen werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Druckbehandlung der Verbrennungsluft und/oder der Abgase mittels eines Kompressors und nach dem Kühlen derselben sowie nach dem Entfernen von niedergeschlagenen unerwünschten Substanzen unter Druck, die genannten Abgase zusammen mit den noch verbliebenen, unerwünschten Substanzen in einer Expansionseinrichtung einem raschen Temperaturabfall unterworfen werden, wobei die dem Kompressor zugeführte Antriebsleistung und damit der Druckanstieg einerseits und die Kühlung andererseits so gewählt werden, dass auf der Auslassseite der Expansionseinrichtung eine Temperatur herrscht, bei welcher die unerwünschten Substanzen aus den Abgasen kondensiert und niedergeschlagen werden.

2. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die als Schrauben-Rotor-Expander ausgeführte Expansionseinrichtung den Kompressor, zusammen mit einer weiteren Antriebsquelle als umlaufende Expansionsmaschine antreibt.

3. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsprozess nach dem Komprimieren, jedoch vor der Kühlung stattfindet.

4. Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlen der Abgase und/oder Verbrennungsluft vor der Kompressionsstufe durchgeführt wird.