DE3416193C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von Halogenen aus einer Wirbelschichtfeuerung sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Die Wirbelschichttechnik findet zunehmend in der Feuerungstech­ nik Anwendung. Bei der Wirbelschichttechnik werden feinkörnige Partikel (Wirbelgut) einem Reaktionsbehälter aufgegeben, der mit einem Anströmboden für das Wirbelgas, einem oberen Abgas­ austritt sowie Zu- und Abführleitungen für Wirbelgut versehen ist.

Aus der DE-OS 33 32 928 ist ein Verfahren sowie eine Vorrich­ tung zur Rauchgasentschwefelung von Kohlefeuerungen bekannt, bei dem eine Additivzugabe zur Schwefeleinbindung in den Feuerungsraum erfolgt und zur Restschwefeleinbindung eine Abküh­ lung der Asche und Additivstäube enthaltenden Abgase in einem nachgeschalteten Wärmetauscher vorgenommen wird. Eine gezielte Abscheidung von Halogenen ist nicht offenbart.

Weiterhin ist aus der DE-OS 24 32 515 ein Verfahren zur Verrin­ gerung der Emission schwefelhaltiger Verbindungen aus Öfen bekannt, in denen sich diese Verbindungen mit dem Abgasstaub an Kesselrohren, Leitungen usw. absetzen und dort Korrosion hervorrufen können, bei dem ein Karbonat in fein verteilter fester Form injiziert wird, um die Schwefelverbindungen in Metallsulfate umzuwandeln. Die Abscheidung von Halogenen wird nicht erwähnt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiter­ zuentwickeln, daß eine wirkungsvollere Abscheidung von Haloge­ nen aus den ungereinigten Abgasen einer Wirbelschichtfeuerung gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsicht­ lich des Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Patent­ anspruches 2 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Behandlung der ungereinigten Abgase aus einer Wir­ belschichtfeuerung in einer Sekundär-Wirbelschicht mit niedri­ ger Temperatur wird überraschend eine deutlich verbesserte Einbindung der Halogene erreicht, wenn die Herabkühlung auf einen Temperaturbereich von 400 bis 200°C erfolgt.

Die Herabkühlung läßt sich vorrichtungsgemäß vorteilhaft in einem Sekundär-Wirbelschichtreaktor verwirklichen, in dessen Wirbelschicht Wärmeaustauscher untergebracht sind und oberhalb der Sekundär-Wirbelschicht gewandelte Leitflächen in der Mitte des Abgasraumes angeordnet sind. Dadurch ist ein guter Wärmeüber­ gang gewährleistet. Gleichzeitig kann auf diese Weise der sonst erforderliche Abhitzekessel eingespart werden.

Die sich in Bezug auf die Vorrichtung ergebenden weiteren Vor­ teile bestehen darin, daß im Sekundär-Wirbelschichtreaktor er­ höhte Anströmgeschwindigkeiten realisiert werden können, ohne daß hierdurch ein unvertretbar hoher Wirbelgutaustrag mit dem Abgas erfolgt.

Schließlich wird noch das Problem der Staubreinigung des Abga­ ses durch die vorgeschlagenen Maßnahmen zu seiner Temperatur­ senkung verringert und der Abzug des ausreagierten und dabei abgekühlten Wirbelgutes aus der Sekundär-Wirbelschicht er­ leichtert.

Gewendelte Leitflächen in der Mitte des Abgasraumes oberhalb der Sekundär-Wirbelschicht in der Form feststehender, quer­ schnittsfüllender 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 geführ­ te 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 Se­ kundär-Wirbelschichtreaktor erfolgt, wenn das Abgas in- und/ oder oberhalb der Fliehkraftzone zentrisch abgeführt und dabei ggf. um 180° ein oder mehrmals umgelenkt wird.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschrei­ bung der Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Wirbelschichtfeue­ rungsreaktor im Vertikalschnitt, ausschnittsweise,

Fig. 2 einen nachgeschalteten Sekundär-Wirbelschichtreaktor in schematischer Darstellung im Vertikalschnitt,

Fig. 3 ein Detail der Einbauten im Bereich der Abgasöff­ nung,

Fig. 4 in schematischer Darstellung eine Versuchseinrichtung mit einem Sekundär-Wirbelschichtreaktor und

Fig. 5 ein Diagramm, das Versuchsergebnisse wiedergibt.

Ein Wirbelschichtfeuerungsreaktor 1 besteht aus einem Anström­ boden 2 mit darunter befindlichem Windkasten 3 und ggf. geson­ dert angeströmten, randnahen Bodenbereichen 4 mit eigenem Wind­ kasten 5, einer Wirbelschicht 7, einem Abgasraum 8 sowie einem Abzug 6 für ungereinigtes Abgas. In einem dargestellten Wirbel­ schichtfeuerungsreaktor 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 un­ ten zusammenlaufender Körper 9, der an seiner Peripherie unter etwa 45° 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 weit­ gehend aus dem Abgas abzuscheiden. Die Propellerflügel 10 be­ decken die Querschnittsfläche des Abgasraumes 8 bis auf eine schmale Randzone 11, welche üblicherweise weniger stark ange­ strömt ist und in der das Wirbelschichtgut nach unten in die Wirbelschicht 7 zurücksinken kann. Der Abgasraum 8 ist, zur Er­ höhung des Abscheidegrades, unter Umständen nach oben leicht verjüngt. Die Verminderung der Anströmung der Randzone 11 sowie eine strähnig spiralige Rückführung des abgeschiedenen Feingu­ tes kann durch spiralig nach unten geführte Randeinbauten 12, wie Nocken oder Nuten, verbessert werden. Die zum Abgasabzug 6 führende Abgasaustrittsöffnung 13 befindet sich bevorzugt mit­ tig 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 ab­ deckenden "Schuppe" (Fig. 3). Düsen 15 mit tangentialer Anord­ nung 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 Wirbel­ schicht 7 zurückgeführten Brennstoffpartikel zuzuführen. Die Strähnen 16 aus abgeschiedenem Wirbelgut senken sich aufgrund ihrer Schwerkraft bevorzugt in solche Bereiche der Wirbel­ schicht 7, die weniger stark aus den Windkästen 5 angeströmt werden und unter Umständen mit Hilfe von bevorzugt jalousieähn­ lichen Einbauwänden 17 vom Hauptteil der Wirbelschicht 7 sepa­ riert sind.

Der in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Sekundär-Wirbel­ schichtreaktor 18 befindet sich unmittelbar oder schräg ober­ halb des in Fig. 1 dargestellten Abgasraumes 8 des Wirbel­ schichtfeuerungsreaktors 1. Der Abgasabzug 6 des Wirbelschicht­ feuerungsreaktors 1 geht in den Anströmstutzen 19 des Sekun­ där-Wirbelschichtreaktors 18 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 Einbau­ wände 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 kühlmittel­ durchflossenen Rohrregistern, die so zu bemessen sind, daß die geforderten Temperatursenkungen des Wirbelgutes und des unge­ reinigten Abgases zuverlässig erreicht werden. Ein Ascheabzug 22 (Wirbelgutabzugsrohr) ist seitlich des Gasverteilers 20 vor­ gesehen. Er dient einmal zum Abzug des Wirbelschichtgutes bei Betriebsunterbrechungen. Er ist darüber hinaus auch dazu geeig­ net, die Wirbelschichthöhe zu regeln, um die Betriebstemperatur des Sekundär-Wirbelschichtreaktors zu steuern. Dem Abgasabzug 26 sind vor der Abgasöffnung 27 ebenfalls Umlenkflächen 14 zuge­ ordnet.

Ausführungsbeispiel

Fluor und Chlor, die aus den Begleitmineralien der Kohle stam­ men, werden in Kohlefeuerungen durch Pyrodrolyse in Fluor- und Chlorwasserstoff umgewandelt und als solche emittiert. Eine Ab­ schätzung auf thermodynamischer Grundlage zeigt mit steigender Temperatur eine zunehmende Tendenz zur Umwandlung. Messungen bestätigen, daß durch ständige Erneuerung der Feuerungsatmos­ phäre und der staubfeinen Partikel die Einstellung des thermo­ dynamischen Gleichgewichts nicht erreicht wird, sondern daß die richtungsorientierten Reaktionsgeschwindigkeiten die Emission bzw. Bindung der Halogene bestimmen. Im Innern der Mineralkör­ ner herrschen günstige Bedingungen für die Halogenwasserstoff­ bildung, die abhängig von der Verweilzeit und daher von der Korngröße sind. In der Feuerungsatmosphäre sind dann die Bedin­ gungen günstiger für die Wiedereinbindung, wenn über die vom Schwefel beanspruchte CaO-Oberfläche hinaus frei CaO-Oberflä­ chen oder Aluminosilikat-Oberflächen vorhanden sind. Alle Be­ triebsparameter, die die Reaktionsdichte erhöhen, verbessern bereits im Reaktor die Einbindung von F und Cl, die sich im Staub anreichern. Das Filter ist deshalb überwiegender Abschei­ deort und nicht der eigentliche Reaktionsort. Verlängert man die Gas-Staub-Kontaktzeit durch eine Volumenvergrößerung vor dem Filter, so tritt eine relevante Einbindungzunahme ein.

In Fig. 4 ist eine Versuchseinrichtung dargestellt, in der die Halogeneinbindung untersucht worden ist. Die Einrichtung be­ steht aus einem Wirbelschichtfeuerungsreaktor 1, dessen aus Luft, Kohle und Kalk gebildete Wirbelschicht mit einer Tempera­ tur von 850°C betrieben wird. Das ungereinigte Abgas gelangt über den Abgasabzug 6 in den Anströmstutzen 19 des Sekundär- Wirbelschichtreaktors 18, in dem die Abkühlung der Wirbel­ schichtpartikel und des Abgases auf verschiedene Temperaturwer­ te möglich ist.

Das Abgas aus dem Sekundär-Wirbelschichtreaktor 18 gelangt über den Abgasstutzen 26 in einen Zyklon 31, der mitgerissene Grob­ partikel abscheidet. Das vorgereinigte Abgas wird dann über ei­ ne Leitung 32 einem Elektrofilter 33 zur Feingutabtrennung auf­ gegeben, 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 Diagram­ mes werden die Emissionen des unter Standardbedingungen betrie­ benen, jedoch mit wechselnden Mengen eines feinkörnigen Kreide­ kalksteins beaufschlagten Wirbelschichtfeuerungsreaktors ge­ zeigt. Der rechte Teil der Fig. 5 gibt wieder, wie die Wieder­ einbindung der Halogenwasserstoffe (Chlor- und Fluorwasserstof­ fe) in der Sekundär-Wirbelschicht mit fallender Temperatur vor sich geht: Die vier oberen Kurvenzüge beziehen sich auf die Einbindung von Chlorwasserstoff in kalkhaltige Wirbelschicht­ aschemischungen und zeigen, daß sich mit zunehmenden Mengen an feinkörnigem Kalk in der Asche ein Emissions-Minimum bei etwa 300°C immer deutlicher ausprägt. Dagegen zeigt eine natürliche Asche ohne Kalkzuschlag nur eine geringe Chlorwasserstoffauf­ nahme. Im Gegensatz dazu wird Fluorwasserstoff auch von natür­ licher Kohlenasche (Aluminiumsilikate) bei niedrigen Temperatu­ ren weitgehend gebunden. Die Fluoreinbindung wird durch Kalkzu­ schläge noch verstärkt.

Durch die Versuche konnte nachgewiesen werden, daß in einer Se­ kundär-Wirbelschicht aus kalkhaltiger emittierter Flugasche, die vor dem Zyklon und dem Filter angeordnet ist und mit einer Temperatur von etwa 300°C 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 Zehn­ tel der Wärmeaustauscher benötigt werden und den Aschekühler, außerdem wird eine Reaktivierung des im Wirbelschichtfeuerungs­ reaktor nur teilgenutzten Grobkalks bewirkt.

Claims (8)

1. Verfahren zum Abscheiden von Halogenen aus einer Wirbel­ schichtfeuerung, dadurch gekennzeichnet, daß das ungereinigte Abgas aus der Wirbelschichtfeuerung einer auf eine Tempera­ tur zwischen 400 und 200°C gekühlten sekundären Wirbel­ schicht zugeführt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem Wirbelschichtfeuerungs­ reaktor (1) ein Sekundär-Wirbelschichtreaktor (18) nachge­ schaltet ist, in dem ein Wärmeaustauscher (21) und ober­ halb der Sekundär-Wirbelschicht (23) gewendelte Leitflächen (10) in der Mitte des Abgasraumes (28) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch feststehen­ de Propellerflügel (10) als gewendelte Leitflächen im Abgas­ raum (28) des Sekundär-Wirbelschichtreaktors (18).

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitflächen (10) im Abgasraum (28) eine Randzone (11) freihalten.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch nach unten geführte Randeinbauten (12) des Abgasraumes (28).

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch Abgas-Umlenkflächen (14) vor der Abgasaustrittsöffnung (13).

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch ein seitliches Wirbelgutabzugsrohr (22) unterhalb der Sekundär-Wirbelschicht (23).

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch einen Gasverteiler (20) unterhalb der Sekundär-Wirbelschicht (23).