DE3416193A1

DE3416193A1 - Verfahren zur abscheidung von halogenen aus einer wirbelschichtfeuerung und vorrichtung zum durchfuehren dieses verfahrens

Info

Publication number: DE3416193A1
Application number: DE19843416193
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl.-Chem. Dr. 4300 Essen Münzner
Original assignee: Bergwerksverband GmbH
Current assignee: Bergwerksverband GmbH
Priority date: 1983-05-03
Filing date: 1984-05-02
Publication date: 1984-11-08
Also published as: DE3416193C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von Haloge-
nen aus einer Wirbelschichtfeuerung sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
Die Wirbelschichttechnik findet zunehmend in der Feuerungstechnik Anwendung. Bei der Wirbelschichttechnik werden feinkörnige Partikel (Wirbelgut) einem Reaktionsbehälter aufgegeben, der mit einem Anströmboden für das Wirbelgas, einem oberen Abgasaustritt sowie Zu- und Abführleitungen für Wirbelgut versehen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß eine wirkungsvollere Abscheidung von Halogenen aus dem ungereinigten Abgasen einer Wirbelschichtfeuerung gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruches 4 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die Behandlung der ungereinigten Abgase aus einer Wirbelschichtfeuerung in einer Sekundär-Wirbelschicht mit niedrigere Temperatur wird eine deutlich verbesserte Einbindung der Halogene erreicht, wobei die Herabkühlung zweckmäßig auf einen Temperaturbereich von 600 bis 120°C, vorzugsweise auf einen Temperaturbereich von 400 bis 2000C erfolgt.
Die Herabkühlung läßt sich vorrichtungsmäßig vorteilhaft in einem Sekundär-Wirbelschichtreaktor verwirklichen, in dessen Wirbelschicht Wärmeaustauscher untergebracht sind, wodurch ein guter Wärmeübergang gewährleistet ist. Gleichzeitig kann auf diese Weise der sonst erforderliche Abhitzekessel eingespart werden.
Die sich in Bezug auf die Vorrichtung ergebenden weiteren Vorteile bestehen darin, daß im Sekundär-Wirbelschichtreaktor erhöhte Anströmgeschwindigkeiten realisiert werden können, ohne daß hierdurch ein unvertretbar hoher Wirbelgutaustrag mit dem Abgas erfolgt.
Schließlich wird noch das Problem der Staubreinigung des Abgases durch die vorgeschlagenen Maßnahmen zu seiner Temperatursenkung verringert und der Abzug des ausreagierten und dabei abgekühlten Wirbelgutes aus der Sekundär-Wirbelschicht erleichtert.
Gewendelte Leitflächen in der Mitte des Abgasraumes oberhalb der Sekundär-Wirbelschicht in der Form feststehender, querschnittsfüllender Propeller, die an einem zylindrischen oder konisch nach unten zusammenlaufenden Körper befestigt sind und den Querschnitt des Abgasraumes bis auf eine schmale Randzone zur Wandung des Sekundär-Wirbelschichtreaktors bedecken, führen zu einem hohen Abscheidegrad des Feingutes, dessen Rückführung in die Sekundär-Wirbelschicht durch spiralig nach unten geführte Randeinbauten, wie erhabene und/oder vertiefte Nuten, an der Reaktorwandung erhöht wird. Dadurch wird die Austragung des Wirbelgutes wesentlich vermindert und die Aufrechterhaltung der Sekundär-Wirbelschicht sichergestellt.
Eine weitere Erhöhung des Abscheidegrades an Wirbelgut im Sekundär- Wirbelschichtreaktor erfolgt, wenn das Abgas in- und/-oder oberhalb der Fliehkraftzone zentrisch abgeführt und dabei ggf. um 1800 ein oder mehrmals umgelenkt wird.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen schematisch dargestellten Wirbelschichtfeuerungsreaktor im Vertikalschnitt, ausschnittsweise, Fig. 2 einen nachgeschalteten Sekundär-Wirbelschichtreaktor in schematischer Darstellung im Vertikalschnitt, Fig. 3 ein Detail der Einbauten im Bereich der Abgasöffnung.
Fig. 4 in schematischer Darstellung eine Versuchseinrichtung mit einem Sekundar-Wirbelschichtreaktor und Fig. 5 ein Diagramm, das Versuchsergebnisse wiedergibt.
Ein Wirbelschichtfeuerungsreaktor 1 besteht aus einem Anströmboden 2 mit darunter befindlichem Windkasten 3 und ggf. gesondert angeströmten, randnahen Bodenbereichen 4 mit eigenem Windkasten 5, einer Wirbelschicht 7, einem Abgasraum 8 sowie einem Abzug 6 für ungereinigtes Abgas. In dem dargestellten Wirbelschichtfeuerungsreaktor 1, der in der Zeichnungsebene nach links fortgesetzt sein kann, können verschiedenen Bereichen der Wirbelschicht 7 verschiedene Abgasräume 8 zugeordnet sein. In der Mitte des Abgasraumes 8 befindet sich ein konisch nach unten zusammenlaufender Körper 9, der an seiner Peripherie unter etwa 450 angestellte Propeller 10 in zwei übereinanderliegenden Ebenen aufweist. Diese feststehenden Propeller 10 haben als Leitschaufeln den Zweck, den Abgasraum 8 über der Wirbelschicht 7 klein zu halten und aufsteigende Wirbelschichtpartikel weitgehend aus dem Abgas abzuscheiden. Die Propelierflügel 10 bedecken die Querschnittsfläche des Abgasraumes 8 bis auf eine schmale Randzone 11, welche üblicherweise weniger stark angeströmt ist und in der das Wirbelschichtgut nach unten in die Wirbelschicht 7 zurücksinken kann. Der Abgasraum 8 ist, zur Erhöhung des Abscheidegrades, unter Umständen nach oben leicht verjüngt. Die Verminderung der Anströmung der Randzone 11 sowie eine strähnig spiralige Rückführung des abgeschiedenen Feingutes kann durch spiralig nach unten geführte Randeinbauten 12, wie Nocken oder Nuten, verbessert werden. Die zum Abgasabzug 6 führende Abgasaustrittsöffnung 13 befindet sich bevorzugt mittig über dem Abgasraum 8 am oberen Ende des Konuskörpers 9 und ist mit Umlenkflächen 14 versehen. Die Umlenkflächen 14 haben bevorzugt die Form einer die Abgasaustrittsöffnung schräg abdeckenden "Schuppe" (Fig. 3). Düsen 15 mit tangentialer Anordnung in Richtung des abgeschiedenen Wirbelgutes sind in der Wandung des.Abgasraumes 8 vorgesehen, um ein Reaktionsfluid, z.
B. Luft, zur Verbesserung des Ausbrandes der in die Wirbelschicht 7 zurückgeführten Brennstoffpartikel zuzuführen. Die Strähnen 16 aus abgeschiedenem Wirbelgut senken sich aufgrund ihrer Schwerkraft bevorzugt in solche Bereiche der Wirbelschicht 7, die weniger stark aus den Windkästen 5 angeströmt werden und unter Umständen mit Hilfe von bevorzugt jalousieähnlichen Einbauwänden 17 vom Hauptteil der Wirbelschicht 7 separiert sind.
Der in Fig. 2 dargestellte ' erfindungsgemäße Sekundär-Wirbelschichtreaktor 18 befindet sich unmittelbar oder schräg oberhalb des in Fig. 1 dargestellten Abgasraumes 8 des Wirbelschichtfeuerungsreaktors 1. Der Abgasabzug 6 des Wirbelschichtfeuerungsreaktors 1 geht in den Anströmstutzen 19 des Sekundär-Wirbelschichtreaktors 18 8 über. Dieser ist zweckmäßig zur Erleichterung der Wirbelschichtbildung mit einem Gasverteiler 20 versehen. Auch bei dem Sekundär-Wirbelschichtreaktor 18 sind im Abgasraum 28 gewendelte Leitflächen (Propellerflügel 10), spiralig nach unten geführte Randeinbauten 12 und/oder Einbauwände 17 - in Fig. 2 nicht dargestellt - vorgesehen. Unterhalb der~ Leitflächen 10 befindet sich ein in der Wirbelschicht 23 angeordneter Wärmeaustauscher 21, z. B. in Form von kühlmitteldurchflossenen Rohrregistern, die so zu bemessen sind, daß die geforderten Temperatursenkungen des Wirbelgutes und des ungereinigten Abgases zuverlässig erreicht werden. Ein Ascheabzug 22 (Wirbelgutabzugsrohr) ist seitlich des Gasverteilers 20 vorgesehen. Er dient einmal zum Abzug des Wirbelschichtgutes bei Betriebsunterbrechungen. Er ist darüber hinaus auch dazu geeignet, die Wirbelschichthöhe zu regeln, um die Betriebstemperatur des Sekundär-Wirbelschichtreaktor zu steuern. Dem Abgasabzug 26 sind vor der Abgasöffnung 27 ebenfalls Umlenkflächen 14 zugeordnet.
Ausführungsbeispiel: Fluor und Chlor, die aus den Begleitmineralen der Kohle stammen, werden in Kohlefeuerungen durch Pyrodrolyse in Fluor- und Chlorwasserstoff umgewandelt und als solche emittiert. Eine Abschätzung auf thermodynamischer Grundlage zeigt mit steigender Temperatur eine zunehmende Tendenz zur Umwandlung. Messungen bestätigen, daß durch ständige Erneuerung der Feuerungsatmosphäre und der staubfeinen Partikel die Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts nicht erreicht wird, sondern daß die richtungsorientierten Reaktionsgeschwindigkeiten die Emission bzw. Bindung der Halogene bestimmen. Im Innern der Mineralkörner herrschen günstige Bedingungen für die Halogenwasserstoffbildung, die abhängig von der Verweilzeit und daher von der Korngröße sind. In der Feuerungsatmosphäre sind dann die Bedingungen günstiger für die Wiedereinbindung, wenn über die vom Schwefel beanspruchte CaO-Oberfläche hinaus frei CaO-Oberflächen oder Aluminosilikat-Oberflächen vorhanden sind. Alle Betriebsparameter, die die Reaktionsdichte erhöhen, verbessern bereits im Reaktor die Einbindung von F und Cl, die sich im Staub anreichern. Das Filter ist deshalb überwiegender Abscheideort und nicht der eigentliche Reaktionsort. Verlängert man die Gas-Staub-Kontaktzeit durch eine Volumenvergrößerung vor dem Filter, so tritt eine relevante Einbindungszunahme ein.
Tn Fig. 4 ist eine Versuchseinrichtung dargestellt, in der die Halogeneinbindung untersucht worden ist. Die Einrichtung besteht aus einem Wirbelschichtfeuerungsreaktor 1, dessen aus Luft, Kohle und Kalk gebildete Wirbelschicht mit einer Temperatur von 8500C betrieben wird. Das ungereinigte Abgas gelangt über den Abgasabzug 6 in den Anströmstutzen 19 des Sekundär-Wirbelschichtreaktors 18, in dem die Abkühlung der Wirbelschichtpartikel und des Abgases auf verschiedene Temperaturwerte möglich ist.
Das Abgas aus dem Sekundär-Wirbelschichtreaktor 18 gelangt über den Abgasstutzen 26 in einen Zyklon 31, der mitgerissene Grobpartikel abscheidet. Das vorgereinigte Abgas wird dann über eine Leitung 32 einem Elektrofilter 33 zur Feingutabtrennung aufgegeben, dessen Betriebstemperatur bei der Versuchseinrichtung bei 200°C lag. Das gereinigte Abgas wird aus dem Filter 33 über Leitung 34 in die Atmosphäre abgeschieden.
Die in der Versuchseinrichtung erzielten Ergebnisse sind in der Fig. 5 zusammengefaßt dargestellt. Im linken Teil des Diagrammes werden die Emissionen des unter Standardbedingungen betriebenen, jedoch mit wechselnden Mengen eines feinkörnigen Kreidekalksteins beaufschlagten Wirbelschichtfeuerungsreaktors gezeigt. Der rechte Teil der Fig. 5 gibt wieder, wie die Wiedereinbindung der Halogenwasserstoffe (Chlor- und Fluorwasserstoffe) in der Sekundär-Wilbel schicht mit fallender Temperatur vor sich geht: Die vier oberen Kurvenzüge beziehen sich auf die Einbindung von Chlorwasserstoff in kalkhaltige Wirbelschichtaschemischungen und zeigen, daß sich mit zunehmenden Mengen an feinkörnigem Kalk in der Asche ein Emissions-Minimum bei etwa 3000C immer deutlicher ausprägt. Dagegen zeigt eine natürliche Asche ohne Kalkzuschlag nur eine geringe Chlorwasserstoffaufnahme. Im Gegensatz dazu wird Fluorwasserstoff auch von natürlicher Kohlenasche (Aluminiumsilikate) bei niedrigen Temperaturen weitgehend gebunden. Die Fluoreinbindung wird durch Kalkzuschläge noch verstärkt Durch die Versuche konnte nachgewiesen werden, daß in einer Sekundär-Wirbelschicht aus kalkhaltiger emittierter Flugasche, die vor dem Zyklon und dem Filter angeordnet ist und mit einer Temperatur von etwa 3000C betrieben wird, über 99 % des Fluors und 80 % des Chlors ausgehalten werden können. Die Sekundär-Wirbelschicht ersetzt dabei gleichzeitig den Abhitzekessel, weil wegen der Anwendung der Wirbelschichttechnik nur ein Zehntel der Wärmeaustauscher benötigt werden und den Aschekühler, außerdem wird eine Reaktivierung des im Wirbelschichtfeuerungsreaktor nur teilgenutzten Grobkalks bewirkt.

Claims

Verfahren zur Abscheidung von Halogenen aus einer Wirbelschichtfeuerung und Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens Patentansprüche 1. Verfahren zum Abscheiden von Halogenen aus einer Wirbelschichtfeuerung, dadurch gekennzeichnet, daß das ungereinigte Abgas aus der Wirbelschichtfeuerung einer Sekundär-Wirbelschicht niedriger Temperatur zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung auf 600 bis 1200C erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung auf 400 bis 2000C erfolgt.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einem Wirbelschichtfeuerungsreaktor (1) ein Sekundär-Wirbelschichtreaktor (18) nachgeschaltet ist, in dem ein Wärmeaustauscher (21) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch gewendelte Leitflächen (10) in der Mitte des Abgasraumes (28) oberhalb der Sekundär-Wirbelschicht (23). des Sekundär-Wirbelschichtreaktors (18).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch feststehende Propellerflügel (10) als gewendelte Leitflächen im Abgasraum (28) des Sekundär-Wirbelschichtreaktors (18).
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitflächen (10) im Abgasraum (28) eine Randzone (11) freihalten.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch nach unten geführte Randeinbauten (12) des Abgasraumes (28).
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch Abgas-Umlenkflächen (14) vor der Abgasaustrittsöffnung (13).
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9, gekennzeichnet durch ein seitliches Wirbelgutabzugsrohr (22) unterhalb der Sekundär-Wirbelschicht (23).
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 10, gekennzeichnet durch einen Gasverteiler (20) unterhalb der Sekundär-Wirbelschicht (23).