DE3204589C2 - Anlage zur Verbrennung von schwefelhaltigem festem Brennstoff in einer Brennkammer mit einem Wirbelbett - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Verbrennung von schwefelhaltigem festem Brennstoff in einer Brennkammer mit einem Wirbelbett gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Bei dem Brennstoff kann es sich vor allein um Kohle handeln. Die Brennkammer kann bei Atmosphärendruck oder bei Überdruck, wie z. B. bei einem Druck von 10-20 bar, arbeiten. Die Brenn­ kammer kann in einer kombinierten Energieerzeugungsanlage verwendet werden, zu der sowohl eine Gasturbine gehört, die mit Gas von der Brennkammer versorgt wird, als auch eine Dampfturbinenanlage mit Dampferzeugern in der Brennkammer und hinter der Gasturbine zur Ausnutzung der Restwärme der der Gasturbine entweichenden Gase.

Bei der Verbrennung von festem Brennstoff, vorzugsweise Koh­ le, muß man immer mit gewissen Verunreinigungen im Brennstoff, vor allem Schwefel, rechnen, die in verschiedener Hinsicht nachteilig sind, vor allem hinsichtlich der Belastung der Umwelt. Einer der Vorteile der Verbrennung des Brennstoffes in einem Wirbelbett besteht darin, daß die Bettmasse aus einem absorbierenden Material, einem "Absorbenten", bestehen kann oder daß ihr ein solches Material zugeführt werden kann, das die Verunreinigungen aufnimmt und bindet, so daß die Ver­ unreinigungen in Form eines unschädlichen Pulvers oder Schlamms als normales Füllmaterial deponiert werden können.

Dolomit oder Kalkstein können als Bettmaterial und Schwefel­ absorbent verwendet werden. Dieser Absorbent wird der Brenn­ kammer in Partikelform, beispielsweise mit einer Korngröße in der Größenordnung von 0,05-6 mm, zugeführt. Wenn schwefel­ haltiger Brennstoff in dem Wirbelbett verbrannt wird, rea­ giert der Schwefel mit dem Sauerstoff der Luft zu Schwefel­ dioxyd, das mit der aktiven Komponente oder den aktiven Komponenten im Schwefelabsorbenten, wie beispielsweise Kal­ zium, reagiert. Die Schwefelbindung kann beispielsweise in der Weise erfolgen, daß zunächst der Schwefelabsorbent kal­ ziniert wird, d. h. das Kohlenstoffdioxyd aus dem Schwefel­ absorbenten entweicht. Danach bildet sich auf der Oberfläche jedes Schwefelabsorbentpartikels Kalziumsulfat (Sulfatisie­ rung). Die Partikel werden danach weiter und weiter nach innen sulfatisiert. Man hat festgestellt, daß sehr kleine Absorbentpartikel sehr schnell sulfatisiert werden, während große Partikel auch nach einem langen Aufenthalt im Wirbel­ bett nur in geringem Maße sulfatisiert sind.

Die Zufuhr von Absorbent geschieht kontinuierlich und wird in Abhängigkeit des Schwefelgehaltes im Brennstoff gesteuert. Feine Partikel werden schnell sulfatisiert, und ein Teil dieser Partikel verläßt die Brennkammer mit den Rauchgasen und wird in einem Reiniger aufgefangen. Grobe Partikel wer­ den langsam sulfatisiert und bleiben im Wirbelbett. Um die Betthöhe konstant zu halten, muß fortlaufend oder inter­ mittierend Bettmasse entfernt werden. Diese entfernte Bett­ masse ist dann oft trotz langen Aufenthalts im Wirbelbett nur teilweise sulfatisiert.

Aus der US-PS 3 693 557 ist ein Ofen bekannt, in welchem Kohlenstaub bei gleichzeitiger Zuführung von schwefelabsor­ bierendem Material verbrannt wird. Dem Ofen ist eine Wasch­ anlage für die Verbrennungsgase nachgeschaltet, in der die festen Bestandteile, die aus den mitgerissenen schwefelab­ sorbierenden Partikeln bestehen, abgeschieden und unter Zu­ führung von Wasser hydroxiert werden. Die aus dem Wasser und dem herausgewaschenen schwefelabsorbierenden Material beste­ hende, aus den Wäschern abgeführte Aufschlämmung wird in die Wäscher rezirkuliert, damit ein möglichst hochgradiger Ver­ brauch des schwefelabsorbierenden Materials stattfindet. Am Ausgang der Wäscher wird der SO₂-Gehalt der Verbrennungsgase gemessen und in Abhängigkeit dieser Messung wird das Ver­ hältnis des dem Ofen Zuge führten Kohlenstaubes und schwefel­ absorbierenden Materials gesteuert.

Aus der DE-OS 27 32 186 ist ein Verfahren bekannt zur Verwertung noch vorhandener Kohle als Ergebnis eines unvollständigen Verbrennungsprozesses. Dabei wird der Kohlepartikel enthaltende Verbrennungsrückstand in grobkörnige und feinkörnige Partikel getrennt, und die grobkörnigen Partikel werden weiter zerkleinert. Beide Komponenten werden dann in einer Verbrennungsanlage, die ein Wirbelbett mit schwefelhaltigem Material enthalten kann, nachverbrannt.

Aus der JP 55-77605 (A) ist ein Verfahren bekannt, bei dem das vom Verbrennungsgas mitgerissene Absorbermittel in einem Kollektor abgeschieden und in einem Mahlwerk zerkleinert wird. Anschließend wird das Bettmaterial zusammen mit neuem Absorbermaterial aus einem Behälter in ein Gerät geleitet, in welchem Verbrennungsgase vor ihrer Abgabe an die Umwelt über den Schornstein in Anwesenheit des Absorbermittels zumindest teilweise von Schwefel befreit werden.

Aus der Druckschrift VDI-Berichte Nr. 322, 1978, Seiten 37 bis 43 ist es bekannt, daß ein Teil des einem Wirbelbett entzogenen Materials in einen Bunker zu befördern, von dem eine Zumischung zu dem dem Wirbelbett zuzuführenden Material möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei der eine sehr schnelle und sparsame Anpassung der Zufuhr des schwefelab­ sorbierenden Materials zur Erzielung eines möglichst gleich­ bleibenden Restgehaltes des Schwefeldioxyds in den Verbren­ nungsgasen erreicht wird, und bei der das schwefelabsorbie­ rende Material besser ausgenutzt wird und damit der Ver­ brauch dieses Material verringert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anlage gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welche erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merk­ male hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen genannt.

Durch die Erfindung erhält man dadurch eine bessere Aus­ nutzung von schwefelabsorbierendem Material, daß die Anlage mit einer Ausrüstung zum Zerkleinern des entfernten Bett­ materials in feine Partikel und Rückführung dieses feinver­ teilten Materials zum Bett versehen ist. Das nicht ausge­ nutzte innere Material der entfernten Bettmaterialpartikel wird freigelegt, so daß es nach der Rückführung erneut wir­ kungsvoll als Absorbent wirkt. Die Rückführung dieses fein­ zerteilten Materials wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit des Schwefeldioxydgehaltes der gebildeten Rauchgase gesteuert. Da das Material feinzerteilt und dadurch im Hinblick auf die Absorption wirkungsvoll ist, kann man eine schnell an­ sprechende Regelung des Schwefeldioxydgehaltes erzielen.

In einer Anlage, die eine Brennkammer enthält, welche bei einem über Atmosphärendruck liegenden Druck arbeitet, kann das absorbierende Material entfernt und außerhalb des die Brennkammer umgebenen Druckbehälters gekühlt, gesiebt und zerkleinert werden. Die Behandlung kann somit bei Atmosphä­ rendruck geschehen.

Durch pneumatische Ausschub- und Rückführanordnungen ist es möglich, bei dem Druck zu arbeiten, für den die Anlage aus­ gelegt ist. Das Zerkleinern kann auch in der Weise geschehen, daß das absorbierende Material bei der Rückführung in die Brennkammer gegen eine Platte geschleudert wird, wobei die Partikel zertrümmert werden. Der Vorteil dieser Methode be­ steht darin, daß man bei der Rückführung eine Drucksenkung, Temperatursenkung und Druckerhöhung vermeidet und daß es möglich ist, im wesentlichen ohne bewegliche Teile in einer schwierigen Umgebung mit hoher Temperatur, hohem Druck, Staub usw. auszukommen.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 und 2 zwei Ausführungsformen einer Anlage gemäß der Erfindung,

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform gemäß der Er­ findung mit einer mit Überdruck arbeitenden Brenn­ kammer,

Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zur Regelung der Rückführung von absorbierendem Material.

In den Figuren bezeichnet 1 eine Brennkammer mit einem Wir­ belbett 2, über dem sich ein vom Bettmaterial freier Raum 3 befindet. Die Brennkammer steht über einen Austritt 4 mit einem Reiniger 5 in Verbindung, in welchem Staub, der von den Verbrennungsgasen mitgerissen wird, abgeschieden wird, Dieser Staub besteht aus Asche und feinen Teilchen von Ab­ sorbermaterial. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführung ist die Brennkammer 1 in einen Druckbehälter 6 eingeschlos­ sen, der in der Lage ist, unter Überdruck stehende Luft ein­ zuschließen. Der Boden 7 der Brennkammer 1 ist mit nicht ge­ zeigten Düsen zum Einblasen von Verbrennungsluft versehen, die auch das Wirbelbett 2 fluidisiert. Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführung wird diese Luft über eine Leitung 8 zugeführt, während bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführung diese Luft über eine Leitung 9 und den zwischen der Brennkammer 1 und dem Druckbehälter 6 befindlichen Raum 10 zugeführt wird. Über die Leitung 11 wird dem Wirbelbett 2 in der Brennkammer Brennstoff durch Einblasung zugeführt.

Bei der Ausführung nach Fig. 1 ist ein Behälter 12 mit frischem Schwefel absorbierenden Material und eine Mahlan­ lage 14 vorhanden, in welcher das Material soweit zerklei­ nert wird, daß die Korngröße in der Regel weniger als 6 mm beträgt. Das zerkleinerte Material wird in einem Sieb 15 ge­ siebt und in einem feineren und einem gröberen Anteil aufge­ teilt. Der feinere Anteil wird nach dem Sieben zu einer Mahl­ anlage 29 geführt und nochmals gemahlen. Der feinere und der gröbere Anteil werden in den Behältern 16 bzw. 17 aufgefan­ gen und gelagert. Über Dosiervorrichtungen 18 und 19 sowie über die Leitungen 20 und 21 für feinkörniges bzw. grobkör­ niges Material wird dem Wirbelbett, beispielsweise durch Drucklufteinblasung, absorbierendes Material zugeführt. Bei den Dosiervorrichtungen 18 und 19 kann es sich um eine zylindrische Kammer mit einem rotierenden Propeller handeln, dessen Drehzahl gesteuert werden kann.

Die Dosiervorrichtung 19 für den gröberen Anteil des absor­ bierenden Materials kann so eingestellt werden, daß sie einen konstanten Fluß oder einen solchen Fluß bewirkt, der in einem konstanten Verhältnis zum Brennstoff-Fluß steht. Dagegen wird die Dosiervorrichtung 18 für den feineren An­ teil von einem Regler 22 in Abhängigkeit von dem Gehalt an Verunreinigungen der dem Wirbelbett 2 entweichenden Abgase gesteuert. Zu diesem Zweck ist stromabwärts des Wirbelbet­ tes, beispielsweise in dem freien Raum 3, stromabwärts der Zyklone oder im Schornstein, ein Indikator oder Detektor 23 vorgesehen, der die Konzentration an Schwefeldioxyd in den Abgasen mißt. Das Signal dieses Indikators wird zu einem Vergleichsglied 24 für den Regler 22 geleitet, dem auch ein Sollwert für die Konzentration an Schwefeldioxyd in den Ab­ gasen zugeführt wird. Auch wenn dieser Sollwert so niedrig gewählt wird, wie es praktisch überhaupt möglich ist, kann er nicht gleich Null gesetzt werden, da hierdurch vermut­ lich eine ständige Überdosierung an absorbierendem Material stattfinden würde, was sowohl unpraktisch als auch unökono­ misch ist. Der SO₂-Detektor 23 kann ein Detektor des Typs Thermo-Electron sein.

Das Wirbelbett wird mit einem Ablauf 25 versehen, mit dessen Hilfe die Betthöhe während des Betriebs gesteuert oder ge­ regelt wird. Dieser Ablauf führt zu einem Sieb 26 zur Zer­ legung des Materials in einen feineren und einen gröberen Anteil. Der feinere Anteil kann aus verbrauchtem absorbie­ rendem Material bestehen, das über eine Leitung 50 abgeführt werden kann, um auf geeignete Weise deponiert zu werden. Die Körner des gröberen Anteils enthalten in ihrem Inneren unverbrauchtes absorbierendes Material. Dieser unverbrauchte Teil kann 50% oder mehr betragen. Der gröbere Anteil wird daher in einem Behälter 27 aufgefangen und über die Leitung 28 der Mahlanlage 29 zugeführt, wo er gemahlen wird. Das zerkleinerte Material gelangt in den Behälter 16, in welchem auch das feinkörnige zerkleinerte Material vom Sieb 15 auf­ gefangen wird.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform arbeitet die Brennkammer 1 mit einem den Atmosphärendruck übersteigenden Druck, weshalb sie in dem Druckbehälter 6 eingeschlossen ist. Die übrige Ausrüstung zum Betrieb der Anlage muß diesen Ver­ hältnissen angepaßt werden. Die Anlage enthält geschlossene Behälter 30 bzw. 31 für feinkörniges absorbierendes Material 32 bzw. für grobkörniges absorbierendes Material 33. Die Behälter 30 und 31 können derart unter Druck gesetzt werden, daß der Druck genauso groß wird wie im Behälter 6. Die Do­ sierung von absorbierendem Material aus diesen Behältern erfolgt durch die Dosiervorrichtungen 34 und 35, und das absorbierende Material wird dem Wirbelbett 2 auf pneuma­ tischem Wege über die Rohrleitungen 36 und 37 zugeführt. Bettmaterial wird aus dem Wirbelbett 2 durch die Ausschub­ leitung 37a und eine pneumatische Ausschubvorrichtung 38 des Ejektortyps entfernt und zu einer Rückführvorrichtung 39, ebenfalls des Ejektortyps, transportiert. Die Ejektor­ anordnungen 38 und 39 werden vom Druckbehälter 6 über die Leitungen 41, 42, 43 und den druckerhöhenden Kompressor 44 mit Druckgas versorgt. Absorbierendes Material, das über die Leitung 40 wieder zur Brennkammer 1 zurückgeführt wird, trifft eine Platte 45 und wird zerkleinert, so daß in dem rückgeführten Material enthaltendes unverbrauchtes absorbie­ rendes Material freigelegt wird und eine absorbierende Wir­ kung entfaltet. Die Regelung der Entnahme und Rückführung des absorbierenden Materials erfolgt in Abhängigkeit des Schwefeldioxydgehaltes der das Wirbelbett 2 verlassenden Verbrennungsgase. Der Detektor 23 zeigt den Schwefeldioxyd­ gehalt an. Das Signal dieses Detektors wird zum Vergleichs­ glied 46 des Reglers 47 geleitet, der das Ventil 48 in der Leitung 42 steuert. Der Regler 47 kann auch die Dosiervor­ richtung 34 steuern. Der Regler 47 kann einen Pulsgenerator 49 enthalten, der in Fig. 4 gezeigt ist. Dieser erzeugt Betätigungsimpulse zum Öffnen und Schließen des Ventils 48. Die Offenhaltung des Ventils wird von der Impulsdauer be­ stimmt. Die Frequenz der Impulsfolge kann konstant sein, während die Impulsdauer variieren kann, so wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Die Impulsdauer bestimmt dann die Menge der Bettmasse, die entfernt und zurückgeführt wird. Die Impuls­ folgefrequenz kann auch variieren.

Bei einer Anlage nach Fig. 1 und 3 ist es denkbar, daß der gröbere Anteil des absorbierenden Materials eine doppelte Funktion hat, indem er sowohl als absorbierendes Material wie auch als fluidisiertes Bettmaterial wirkt. Eventuell kann das Wirbelbett jedoch auch aus einem besonderen Bett­ material bestehen, das ein chemisch inaktives Steinmaterial, wie z. B. Quarzsand, ist. Diesen Gedanken kann man derart weiterentwickeln, daß man alles absorbierende Material mahlt, was eine gewisse Vereinfachung der Konstruktion ergeben kann, so wie es in Fig. 2 gezeigt ist.

Claims (11)

1. Anlage zur Verbrennung von schwefelhaltigem festem Brenn­ stoff in einer Brennkammer mit einem Wirbelbett, dem schwe­ felabsorbierendes Material unterschiedlicher Korngröße zuge­ führt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosierung von grob- und feinkörnigen Anteilen des absor­ bierenden Materials in getrennten Leitungen (20, 21) er­ folgt, daß in der Anlage ein Meßglied (23) zur Messung des Schwefeldioxidgehalts der Verbrennungsgase vorhanden ist, daß ein Vergleicher (24, 46) zum Vergleich des Meßwertes mit einem Sollwert für den Schwefeldioxidgehalt vorhanden ist und daß die Regelabweichung auf einen Regelverstärker (22, 47) gegeben wird, welcher die Dosierung des feinkörnigen An­ teils des Zuflusses des schwefelabsorbierenden Materials zum Wirbelbett (2) steuert.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anlage eine Sortiervorrichtung (15) zur Aufteilung von frischem Wirbelbettbettmaterial in einem grobkörnigen und feinkörnigen Anteil sowie eine Mahlanlage (29) zur weiteren Zerkleinerung des feinkörnigen Anteils vor seiner Zuführung zum Wirbelbett (2) enthält.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Transportanordnung zum Transport des aussortierten feinkörnigen Anteils von der Sortiervor­ richtung (15) zu der Mahlanlage (29) vorhanden ist.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage eine Anordnung zur Entnahme von Wirbelbettmaterial (25, 38) aus der Brenn­ kammer, eine Anordnung (29, 45) zur Zerkleinerung des ent­ fernten Wirbelbettmaterials und Anordnungen zur Rückführung (18, 39) des zerkleinerten Materials in das Wirbelbett (2) enthält.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie eine Sortiervorrichtung (26) zur Aufteilung des der Brennkammer entzogenen Wirbelbettmateri­ als in einem grobkörnigen und einem feinkörnigen Anteil so­ wie eine Mahlanlage (29) zur Zerkleinerung des gröberen An­ teils vor seiner Rückführung in das Wirbelbett (2) enthält.

6. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anordnung zur Entnahme von Wirbel­ bettmaterial (38) aus der Brennkammer (1) mit einer Rück­ führanordnung des Ejektortyps (39) in Verbindung steht, die rückgeführtes, absorbierendes Material gegen einen Gegen­ stand (45) schleudert, an dem das Material durch Zertrümme­ rung zerkleinert wird.

7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine pneumatische Transportvorrichtung für Wirbelbettmaterial von der Anordnung zur Entnahme von Wirbelschichtmaterial (38) zur Rückführanordnung des Ejek­ tortyps (39) vorhanden ist.

8. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meß­ glied (23) zur Messung des Schwefeldioxidgehalts in den das Wirbelbett verlassenden Verbrennungsgasen angeordnet ist.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßglied (23) zur Messung des Schwefeldioxidgehalts in dem Freiraum (3) über dem Wirbel­ bett angeordnet ist.

10. Anlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reglerverstärker (47) ein Ventil (48) in der pneumatischen Transportanordnung (42) mit der Anordnung zur Entnahme von Wirbelbettmaterial (38) und der Rückführanordnung (39) zur Steuerung des Flusses des zurückgeführten und während der Zurückführung zerkleinerten absorbierenden Materials öffnet und schließt.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zur Entfernung bzw. Zuführung von Bettmaterial aus der bzw. in die Brennkammer vorhandene Reg­ lerverstärker (47) derart steuerbar ist, daß er die Zeitin­ tervalle, in denen das Ventil in der zugehörigen Transport­ leitung (42, 36) geöffnet ist, variiert.