DE3404915A1

DE3404915A1 - Verfahren zur verbrennung wasserhaltiger brennstoffe und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3404915A1
Application number: DE19843404915
Authority: DE
Inventors: Mikael Dipl.-Ing. Andersson; Per Dipl.-Ing. Västeraas Hörlén; Wieland Dipl.-Ing. Kraemer
Original assignee: ASEA Atom AB
Current assignee: Westinghouse Electric Sweden AB
Priority date: 1983-02-15
Filing date: 1984-02-11
Publication date: 1984-08-23
Also published as: SE446560B; GB8403902D0; GB2138118A; SE8300815D0; SE8300815L; US4542621A; JPH0360013B2; GB2138118B; JPS59157419A

Description

Verfahren zur Verbrennung wasserhaltiger Brennstoffe und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von wasserhaltigen Brennstoffen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der Verbrennung von Brennstoffen, die Wasser und/oder Wasserstoff enthalten, besteht ein Teil der Rauchgase aus Wasserdampf, der aus dem Wasser bzw. bei der Verbrennung des Wasserstoffs gebildet wird. Dieser Dampf enthält aufgrund der hohen Verdampfungswärme von Wasser sehr viel Energie. Es ist bekannt, wasserhaltige Brennstoffe, wie z. B. öl, Kohle oder Torf mit großem Wasserinhalt, unter Druck in einer Brennkammer zu verbrennen und die Rauchgase bei aufrechterhaltenem Druck unter Kondensation des in den Rauchgasen enthaltenen Wassers abzukühlen. Die Verdampfungswärme des Wassers wird dabei als Kondensationswärme zurückgewonnen und auf das bei der Kühlung verwendete Kühlmittel übertragen. Da die Kondensation des Dampfes bei erhöhtem Druck stattfindet, erfolgt die Gewinnung der Energie auf einem höheren Temperaturniveau, als dies bei Kondensation unter Atmosphärendruck der Fall wäre. Nach der Kühlung werden die Rauchgase gemäß bekannter Technik in einer Expansionsmaschine entspannt (Drucksenkung). Die von der

Expansionsmaschine erzeugte mechanische Energie kann zum Antrieb eines Kompressors verwendet werden, welcher Verbrennungsluft komprimiert, die der Brennkammer zugeführt wird.

Die bei der Verbrennung von wasser- und/oder wasserstoffhaltigen und schwefelhaltigen Brennstoffen entstehenden Rauchgase enthalten außer Wasserdampf u. a. Schwefeltrioxyd. Das Schwefeltrioxyd bildet mit Wasserdampf bei einer Abkühlung auf Temperaturen von ca. 400 Grad C Schwefelsäure, die sich in gasförmigem Zustand befindet. Bei der Abkühlung der Rauchgase auf Temperaturen unter den Taupunkt von Schwefelsäure geht die Schwefelsäure in den flüssigen Zustand über. Durch die Schwefelsäure wird ein sehr korrosives Milieu geschaffen.

Bei der Verbrennung von wasser- und/oder wasserstoffhaltigen Brennstoffen in der oben beschriebenen Weise hat man mit Rücksicht auf die Korrosionsgefahr Wärmeaustauscher, Leitungen und Schornsteine aus besonders säurebeständigem Stahl hergestellt und die gekühlten Rauchgase auf einer möglichst niedrigen Temperatur gehalten. Gemäß einem anderen bekannten Verfahren unterzieht man die gekühlten Rauchgase außerdem einer so schnellen Drucksenkung in der Expansionsmaschine, daß ihre Temperatur nach dem Passieren der Expansionsmaschine niedrig genug ist, um Verunreinigung in den Rauchgase in flüssiger oder fester Form abzuscheiden, bevor die Rauchgase durch den Schornstein abgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art nebst Durchführungsanordnung zu entwickeln, bei dem die korrosiven Eigenschaften der Rauchgase weitgehend beseitigt werden und ein großer Teil der von den Rauchgasen durchströmten Anlagenteile korrosiven Einflüssen nicht mehr ausgesetzt ist.

Zur Lösung dieser Aufgage wird ein Verfahren nach dem

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Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 genannt.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist erfindungsgemäß durch die im Anspruch 6 genannten Merkmale gekennzeichnet.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Anordnung sind in den Ansprüchen 7 und 8 genannt.

Gemäß der Erfindung wird den. eingangs beschriebenen Korrosionsproblemen dadurch begegnet, daß die Kühlung der Rauchgase in einem Rieselturm (skrubber) mit einem tropfenförmigen Strom aus Wasser oder einer anderen Flüssigkeit bei einer Temperatur durchgeführt wird, die unter dem Taupunkt für Schwefelsäure liegt, der bei den für die Rauchgase herrschenden Bedingungen gilt, und daß den im Rieselturm gekühlten Rauchgasen zunächst warme Rauchgase zugeführt werden, bevor sie in einem Wärmetauscher auf eine Temperatur erhitzt werden, die so hoch liegt, daß. die Rauchgase, wenn sie anschließend unter Temperatursenkung in der Expansionsmaschine auf Atmosphärendruck expandieren, eine Temperatur annehmen, die höher liegt, als der Taupunkt für Schwefelsäure, der bei den für die Rauchgase herrschenden Bedingungen gilt. Die Temperatur der Rauchgase wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung nach der Zufuhr von warmen Rauchgasen zu den von Rieselturms kommenden Rauchgasen ständig auf einen Wert gehalten, der über dem Taupunkt von Schwefelsäure liegt, der bei den für die Rauchgase herrschenden Bedingungen gilt. Dadurch wird eine Kondensation von in den Rauchgasen enthaltener Schwefelsäure nach dem Passieren des Rieselturms verhindert.

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Der wasser- und/oder wasserstoffhaltige Brennstoff kann unter anderem aus einem wässerigen Kohlenschlamm, aus Torf, aus Holz, aus wasserhaltigem öl oder wasserhaltigem Gas bestehen. Der Wassergehalt in wasserhaltigen Brennstoffen kann dabei sehr hoch sein und nahezu 70 Gewichtsprozent betragen.

Die Rauchgase haben bei ihrem Austritt aus dem Rieselturm zweckmäßigerweise eine Temperatur von 30 bis 90 Grad C, vorzugsweise eine Temperatur von 30 bis 70 Grad C. Nach der Beimischung von Rauchgasen, die den Rieselturm bereits zu einem früheren Zeitpunkt passiert haben, zu den vom Rieselturm kommenden Rauchgasen,haben die Rauchgase eine Temperatur, die 2 bis 35 Grad C oder eventuell 2 bis 15 Grad G höher liegt als vor der Zumischung der Rauchgase. Beim Eintritt in die Expansionsmaschine haben die Rauchgase zweckmäßigerweise eine Temperatur von mindestens 150 Grad C, vorzugsweise eine Temperatur von 150 bis 850 Grad C. Beim Austritt aus der Expansionsmaschine haben die Rauchgase zweckmäßigerweise eine Temperatur von 20 bis 600 Grad C, vorzugsweise eine Temperatur, die über der Temperatur der umgebenden Atmosphäre liegt.

Die Rauchgase werden vorzugsweise bereits abgekühlt, bevor die Kühlung zur Ausnutzung der Verdampfungswärme des in den Rauchgasen enthaltenen Wassers erfolgt. Zumindest dann, wenn der Brennstoff bei der Verbrennung keine festen Partikel bildet, die von den Rauchgasen mitgerissen werden, erfolgt die erstgenannte Abkühlung vorzugsweise so, daß der bei den für die Rauchgase herrschenden Bedingungen geltende Taupunkt von Schwefelsäure nicht unterschritten wird. In einem solchen Fall wird bei dem Verfahren nach der Erfindung die Temperatur der Rauchgase sowohl vor dem Eintritt in den Rieselturm wie nach der Beimischung von warmen Rauchgasen zu den vom Rieselturm kommenden Rauchgasen auf einer Temperatur gehalten, die über dem Taupunkt von Schwefelsäure liegt, der bei den für die Rauchgase herrschenden Bedingungen gilt. Das bedeutet, daß

eine Kondensation von Schwefelsäure nur im Rieselturm auftritt. In dem Falle, in dem der Brennstoff bei der Verbrennung feste Partikel bildet, die von den Rauchgasen mitgerissen werden, was bei der Verbrennung von Kohle und anderen festen Brennstoffen der Fall ist, kann man eine gewisse Kondensation von Schwefelsäure in einer vor dem Rieselturm angeordneten Kühlanordnung zulassen. Dies ist deshalb zulässig, weil die festen Partikel die Eigenschaft haben, eventuell kondensierte Schwefelsäure zu absorbieren, so daß eine Korrosion und Verstopfung der Kühlanordnung

vermieden wird. Die

genannte Kühlanordnung besteht

vorzugsweise aus demselben Wärmetauscher, in welchem die Rauchgase nach dem Passieren des Rieselturms erhitzt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Verbrennung mit komprimierter Luft durchgeführt, der zuvor Wasser zugeführt wurde. Durch diese Zufuhr von Wasser zur Verbrennungsluft kann ein besserer Wirkungsgrad im Gaskreis erzielt werden. Das zugeführte Wasser kann entweder von einer äußeren Quelle geliefert werden oder dem Kühlmittel im Rieselturm entnommen werden. Die letztgenannte Möglichkeit hat minimale Verluste in der Wasserzufuhr zur Folge. Dagegen kann man bei der Wasserzufuhr von außen eine niedrigere Rauchgastemperatur erzielen, da das zugeführte Wasser eine niedrigere Temperatur als das im Rieselturm verwendete Kühlmittel hat.

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

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.

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In den Figuren 1 und 2 sind Leitungen in Abhängigkeit des durch sie transportierten Stoffes in unterschiedlicher Weise dargestellt, wobei die unterschiedlichen Darstellungsformen am Fuß der Figuren mit Buchstaben bezeichnet sind. Leitungen für Luft sind mit a, für Rauchgas mit b, für Wasser mit c, für Brennstoff mit d und für Asche mit e bezeichnet. Zu der Anordnung nach Figur 1 gehört eine Vorrichtung 1 zum Transport von Kohle 2, die eventuell mit kalkhaltigem Material vermischt ist, zum Behälter 3, dem Wasser aus der Leitung 4 zugeführt wird. Die Mischung aus Kohle und Wasser wird durch einen Umrührer 5, der von einem Motor 6 angetrieben wird zu Schlamm ("slurry") verrührt. Der Schlamm wird von einer Pumpe 44 über Leitung 7 in die Brennkammer 8 gepumpt, die vorzugsweise als Wirbelbettbrennkammer ausgebildet ist und die mit einem Zyklon 9 zum Abscheiden grober fester Partikel ausgerüstet ist, die von den Rauchgasen mitgerissen werden. Die Brennkammer enthält ferner eine Leitung 10 zur Abführung von Asche. In der Brennkammer ist ein Kühlkreis 11 zur Erzeugung von heißem Wasser oder Dampf angeordnet, das beispielsweise in einem Fernheizsystem oder zum Betrieb einer Dampfturbine verwendet wird. Die Brennkammer ist in einen Druckbehälter 12 eingeschlossen.

Der Brennkammer wird über die Leitung 13 Druckluft zugeführt. Beim Start der Anordnung wird die Druckluft von einem Kompressor 14 erzeugt, der von einem Motor 15 angetrieben wird. Während des Betriebes wird die Druckluft von einem Kompressor 16 erzeugt, der von der Gasturbine 17 angetrieben wird.

Die unter Druck stehenden Rauchgase strömen von der Brennkammer durch die Leitung 18 zu einem regenerativen oder rekuperativen Wärmetauscher 19, in dem sie gekühlt werden, vorzugsweise ohne dabei den Taupunkt für Schwefelsäure zu unterschreiten, und von dort durch die Leitung 21 weiter zu dem Rieselturm 20. In dem Rieselturm kondensieren sowohl Wasserdampf wie Schwefeltrioxyd an

herunterfallenden, kleinen Kühlwassertropfen, die im Oberteil des Rieselturms erzeugt werden. Außerdem werden Aschepartikel und andere feste Partikel sowie ein Teil anderer Verunreinigungen aus den Rauchgase im Rieselturm ausgewaschen. Das durch die Leitung 22 dem Rieselturm zugeführte Kühlwasser fließt in erwärmtem Zustand von dem Rieselturm durch die Leitung 23 zu einem Wärmetauscher 24, durch welchen der Wärmeinhalt des Kühlwassers im Kreis 25 für ein Fernheizsystem oder zur Kondensatvorwärmung ausgenutzt wird. Über die Leitung 26 wird ein Teil des Kühlwassers abgezapft, da durch die Kondensation im Rieselturm ständig neues Wasser dem Kühlwasserstrom zugeführt wird. Von dem Rieselturm strömen die Rauchgase über die Leitung 27 und die Leitung 28 durch den Ventilator 29, der von dem Motor 30 angetrieben wird. Vor dem Eintritt in den Ventilator 29 werden den Rauchgasen zuvor erhitzte Rauchgase aus der Leitung 31 beigemischt, so daß die Rauchgase beim Passieren des Wärmetauscher 19 eine Temperatur haben, die über dem Taupunkt von Schwefelsäure liegt. Die Temperaturen der Rauchgase vor dem Eintritt in den Rieselturm 20 und nach der Beimischung des warmen Gases aus der Leitung 31 haben solche Werte, daß nach dem Passieren des Rieselturms keine Kondensation von Schwefeltrioxyd stattfinden kann. Die Rauchgase strömen dann von dem Wärmetauscher 19 durch die Leitung 32, und nach Abgabe eines kleinen Teils an die Leitung 31, in der ein Ventil 33 oder eine Drosselstelle liegt, durch die Leitung 34 zur Gasturbine 17. Von der Gasturbine, die den Kompressor 16 und eventuell einen nicht gezeigten Generatur antreibt, entweichen die Rauchgase durch die Leitung 35 mit einer Temperatur, die bei den herrschenden Bedingungen über dem Taupunkt von Schwefelsäure liegt, durch den Schornstein 36.
Beispiel für Bedingungen bei dem Betrieb der Anordnung nach Figur 1:

Brennstoff in der Leitung 7 ist ein Schlamm aus Kohle und Wasser, der 40 Gewichtsprozent Kohle enthält.Die Temperatur in der Brennkammer 8 beträgt 850 Grad C. Temperatur und

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Druck in der Leitung 13 betragen 241 Grad C und 5,6 bar, in der Leitung 18 360 Grad C und 5,3 bar, in der Leitung 190 Grad C und 5,3 bar, in der Leitung 27 60 Grad C und 5,0 bar, in der Leitung 28 81 Grad C und 5,0 bar, in den Leitungen 32 und 34- 267 Grad C und 5,1 bar und in der Leitung 35 108 Grad C und 1,0 bar. Das Verhältnis von Nutzwärme zur zugeführten Kohle und Elektrizität beträgt 0,9A8.

Die Anordnung nach Figur 2 enthält außer den Teilen, die bereits in der Anordnung nach Figur 1 enthalten sind und für die in Figur 2 die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 verwendet werden, folgende Teile: einen Zyklon 9a, der an den Zyklon 9 angeschlossen ist und der mit einer Leitung 10a zur Abführung von Asche vershen ist, eine Gasturbine 38, die über die Leitung 18a an den Zyklon 9a und über die Leitung 18b an den Wärmetauscher 19 angeschlossen ist; einen von der Gasturbine 38 angetriebenen Kompressor 39, der über die Leitung 13a an die Brennkammer 8 und über die Leitung 13b an den Kompressor 16 angeschlossen ist; ein Dreiwegeventil 40 in der Verbindungsleitung zwischen den Kompressoren 14 und 16, wobei der dritte Eingang des Dreiwegeventils 40 über eine Leitung 41 an die Außenatmosphäre angeschlossen ist.

Die Anordnung nach Figur 2 arbeitet analog wie die

Anordnung nach Figur 1 mit den Abwandlungen hinsichtlich der Temperatur und Druck, die durch die Hinzunahme der oben beschriebenen zusätzlichen Teile sich ergeben. 30

Beispiel für Bedingungen beim Betrieb der Anordnung nach Figur 2:

Brennstoff in der Leitung 7 ist ein Schlamm aus Kohle und Wasser, der 40 Gewichtsprozent Kohle enthält. Die Temperatur in der Brennkammer beträgt 850 Grad C. Temperatur und Druck in der Leitung 13b betragen I46 Grad C und 3,1 bar, in der Leitung 13a 353 Grad C und 9,9 bar, in der Leitung 18a

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Grad C und 9,6 bar, in der Leitung 18b 54-8 Grad C und 3,8 bar, in der Leitung 21 425 Grad C und 3,8 bar, in der Leitung 27 60 Grad C und 3,8 bar, in der Leitung 28 78 Grad C und 3,8 bar, in den Leitungen 32 und 34 239 Grad C und 3,9 bar und in der Leitung 35 110 Grad C und 1,0 bar. Das Verhältnis Nutzwärme zu zugeführter Kohle und Elektrizität beträgt 0,925.

In einer Modifikation der beschriebenen Anordnung wird der komprimierten Luft in der Leitung 13b Wasser über die Leitung 42 zugeführt. Die Temperatur auf der Eingangsseite des Kompressors 39 beträgt dann 61 Grad C. Mit einer Temperatur von 229 Grad C und einem Druck von 9,9 bar für die Luft in der Leitung 13a und mit einer Temperatur von Grad C für der Rauchgase in der Leitung 35 erhält man dabei ein Verhältnis von Nutzwärme zu zugeführter Kohle und Elektrizität von 0,952.

Gemäß einer weiteren Modifikation wird Wasser über die Leitung 42 zugeführt und eine rotierende elektrische Maschine 43 an die Rotationsachse der Gasturbine 17 angeschlossen. Die Maschine 43 kann als Generator arbeiten, um die in der Turbine 17 erzeugte Uberschußenergie auszunutzen, oder sie kann als Motor arbeiten, um den Kompressor 16 zu starten. Im letztgenannten Fall ist der Kompressor 14 nicht erforderlich.

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Claims

Patentansprüche

1J Verfahren zur Verbrennung von wasser- und/oder Smsserstoffhaltigen Brennstoffewund zur Gewinnung von Energie aus den bei dieser Verbrennung entstehenden Rauchgasen sowie zur Reinigung dieser Rauchgase, wobei die unter Druck gesetzten Rauchgase unter Ausnutzung des größten Teils der Verdampfungswärme des in den Rauchgasen enthaltenen Wassers unter zumindest partieller Entfernung des in den Rauchgasen enthaltenen Schwefeltrioxyds und anderer Verunreinigungen abgekühlt werden, bevor die Rauchgase in einer Expansionsmaschine auf Atmosphärendruck expandiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung unter Ausnutzung der Verdampfungswärme des Wassers und unter Entfernung von Schwefeltrioxyd und anderer Verunreinigungen in einem Rieselturm (20) mittels eines tropfchenförmigen Stromes aus Wasser oder einer anderen Flüssigkeit durchgeführt wird und daß den Rauchgasen nach dem Passieren des Rieselturms erhitzte Rauchgase, die den Rieselturm bereits zu einem früheren Zeitpunkt passiert haben, in solcher Weise zugeführt werden, daß die Temperatur der Rauchgase nach dieser Zufuhr dem unter den herrschenden Bedindungen für die Rauchgase geltenden Taupunkt der Schwefelsäure übersteigt, bevor die Rauchgase in einem Wärmetauscher (19) erhitzt und anschließend in einer Expansionsmaschine (17) unter Senkung der Temperatur auf Atmosphärendruck expandiert werden, ohne daß dabei der bei den für die Rauchgase herrschenden Bedingungen geltende Taupunkt der Schwefelsäure unterschritten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase vor der Abkühlung unter Ausnutzung der Verdampfungswärme des Wassers und unter Entfernung von Schwefeltrioxyd und anderen Verunreinigungen in einem Wärmetauscher (19) abgekühlt werden, ohne daß der bei den

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für die Rauchgase herrschenden Bedingungen geltende
Taupunkt der Schwefelsäure unterschritten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, daß die Verbrennung mit komprimierter Luft
erfolgt und daß dieser Luft Wasser zugeführt wird.

A. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase am Einlauf der Expansionsmaschine eine
Temperatur von mindestens 150 Grad G haben.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase beim Austritt aus der Expansionsmaschine eine Temperatur haben, welche über

der Temperatur der umgebenden Atmosphäre liegt.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine
Brennkammer (8) zur Verbrennung eines wasser- und/oder

wasserstoffhaltigen Brennstoffes, einen mit der Brennkammer über eine Leitung (18, 21, 18a, 18b) für die Rauchgase
verbundenen Rieselturm (20) mit einem tröpfchenförmigen
Strom aus Wasser oder einer anderen Flüssigkeit zur Kühlung der Rauchgase unter Ausnutzung der Verdampfungswärme des in den Rauchgasen enthaltenen Wassers und unter zumindest
partieller Entfernung von Schwefeltrioxyd und anderen
Verunreinigungen, einen mit dem Rieselturm über eine
Leitung (27, 28) für die Rauchgase verbundenen
Wärmetauscher (19) zur Erhitzuung der Rauchgase, eine an

diese Leitung angeschlossenen Leitung (31) für die Zufuhr
von in dem Wärmetauscher erhitzten Rauchgasen und eine mit
dem Wärmetauscher über eine Leitung (32, 34·) für die in dem Wärmetauscher erhitzte Rauchgase verbundenen
Expansionsmaschine (17).

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der in der Leitung zwischen dem Rieselturm (20) und der
Expansionsmaschine (17) angeordnete Wärmetauscher (19), in

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welchem die vom Rieselturm kommenden Rauchgase erhitzt werden, in der Leitung zwischen der Brennkammer (8) und dem Rieselturm (20) zur Kühlung der von der Brennkammer (8) kommenden Rauchgase angeordnet ist, wobei ein Wärmeaustausch zwischen dem von dem Rieselturm kommenden Rauchgasen und den von der Brennkammer kommenden Rauchgasen stattfindet.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (8) mit einer Zufuhrleitung (13a, 13b) für Luft versehen ist, in der zwei Kompressoren (16, 39) liegen, und daß eine Anordnung (4.2) für die Zufuhr von Wasser zu der Luft an die Leitung zwischen den genannten Kompressoren angeschlossen ist.