DE4300787A1 - Verfahren zur Abscheidung flüssiger Asche - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abtrennung flüssiger Asche aus Verbrennungsabgasen, die bei der Verbrennung fester Brennstoffe unter einem Druck von 1 bis 100 bar anfallen und eine Temperatur von 1200 bis 1800°C aufweisen, durch Massenkraftabscheidung.

Es ist bekannt, daß feinteilige feste Brennstoffe, insbesondere feinteilige Kohle, in einem sauerstoffhaltigen Gas suspendiert und in einer Brennkammer verbrannt werden können, wobei die anorganischen Bestandteile der festen Brennstoffe als Asche anfallen. Abhängig von der Ausführung der Verbrennungseinrichtung (z. B. Schmelzkammerfeuerung) dem Brennstoff und auch von dem angebotenen Sauerstoffgehalt wird eine sehr hohe Verbrennungstemperatur erreicht, die dazu führt, daß das bei der Verbrennung gebildete Abgas die Brennkammer mit einer Temperatur von 1200 bis 1800°C verläßt und die bei der Verbrennung gebildete Asche in geschmolzener, flüssiger Form anfällt. Es ist ferner bekannt, daß Abgase, die bei der Verbrennung unter Druck anfallen und eine hohe Temperatur aufweisen, vorteilhaft zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden können, da ihr Energieinhalt von einer Gasturbine mit sehr gutem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgewandelt wird. Der restliche Wärmeinhalt des die Gasturbine verlassenden Verbrennungsabgases kann in vorteilhafter Weise zur Erzeugung von Dampf in einem Dampfkessel genutzt werden. Aus energetischer und wirtschaftlicher Sicht ist also die Erzeugung von Verbrennungsabgasen anzustreben, die unter Druck stehen und eine möglichst hohe Temperatur aufweisen, wobei diese Temperatur zwischen 1200 und 1800°C liegt. Mit der Erzeugung eines derartigen Verbrennungsabgases ist der Nachteil verbunden, daß die bei der Verbrennung entstehende Asche nicht in fester, sondern in flüssiger Form anfällt.

Vor der Nutzung des heißen Verbrennungsabgases in einer Gasturbine muß die flüssige Asche weitgehend quantitativ aus dem Verbrennungsabgas entfernt werden, da die Gasturbine andernfalls durch die sich ablagernden und verfestigenden Aschetröpfchen zerstört würde.

Aus der DE-OS 39 07 457 ist ein Verfahren zur Abscheidung flüssiger Asche aus dem bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe anfallenden Abgas bekannt, bei dem das Abgas eine Temperatur von 1200 bis 1800°C, einen Druck von 1 bis 100 bar sowie einen Aschegehalt von 0,1 bis 60 g/Nm³ hat und bei dem das aus der Brennkammer austretende aschehaltige Abgas auf mindestens eine Prallfläche geführt wird. In der DE-OS 39 07 457 wird ferner vorgeschlagen, daß das Abgas durch einen Fliehkraftabscheider geführt wird, bevor es auf mindestens eine Prallfläche auftritt und daß das Abgas durch ein keramisches Filterelement geführt wird, nachdem seine Strömungsrichtung durch mindestens eine Prallfläche verändert wurde. Während Prall- und Fliehkraftabscheider zur Gruppe der Massenkraftabscheider gehören, ist ein keramisches Filterelement der Gruppe der Filtrationsabscheider zuzuordnen.

Die in der DE-OS 39 07 457 vorgeschlagene Abtrennung der flüssigen Asche durch Massenkraftabscheidung - also durch die Wirkung von Schwerkraft, Trägheitskraft und Zentrifugalkraft - bereitet dann Schwierigkeiten, wenn die Masse der abzuscheidenden Aschetröpfchen sehr klein ist. Es hat sich nämlich gezeigt, daß Aschetröpfchen mit einem mittleren Teilchendurchmesser d₅₀ < 1 µm auch dann nur in unzureichender Menge abgeschieden werden, wenn das mit ihnen verunreinigte Verbrennungsabgas durch mehrere Massenkraftabscheider, z. B. durch mehrere Zyklone und/oder Prallabscheider, geführt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Abscheideleistung von Massenkraftabscheidern insbesondere für sehr kleine Aschetröpfchen zu verbessern.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das mit der flüssigen Asche verunreinigte Verbrennungsabgas nach dem Verlassen der Brennkammer zunächst einem Venturirohr und anschließend mindestens einem Massenkraftabscheider zugeführt wird. Durch diese Verfahrensführung wird-in vorteilhafter Weise erreicht, daß die kleinen Aschetröpfchen im Venturirohr agglomerieren und anschließend im Massenkraftabscheider nahezu quantitativ abgeschieden werden. Die Agglomeration tritt ein, obwohl größere Aschetröpfchen in der Verengung (Kehle, Düse) des Venturirohrs durch die turbulente Gasströmung und die erhöhte Gasgeschwindigkeit zerteilt bzw. dispergiert werden, denn im Diffusor des Venturirohrs erfolgt schnell eine Verminderung der Gasgeschwindigkeit und ein zusammentreffen unterschiedlich großer Tropfen mit nachfolgender Agglomeration, wobei Tropfen mit einem mittleren Durchmesser d₅₀ von < 5 µm gebildet werden. In überraschender Weise hat sich ferner gezeigt, daß der Alkaligehalt der Verbrennungsabgase bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Werte < 0,3 mg/Nm³ herabgesetzt werden kann, was auf der chemischen Reaktion der Asche mit den Alkalien Na⁺ und K⁺ beruht und auf die Dispergierung der Aschetröpfchen in der Verengung sowie die nachfolgende Agglomeration der Tröpfchen im Diffusor des Venturirohres zurückgeführt wird. Die Abscheidung der Alkalien Na⁺ und K⁺ ist nämlich abhängig von der angebotenen Oberfläche der Asche und von der Zeit, in der die flüssige Asche mit dem Abgas in Kontakt ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also sowohl eine Verminderung des Gehalts an flüssiger Asche auf Werte < 5 mg/Nm³ als auch eine Verminderung des Alkaligehalts auf Werte < 0,3 mg/Nm³ im Reingas erreicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders betriebssicher und erfolgreich durchführbar, wenn das mit der flüssigen Asche verunreinigte Verbrennungsabgas im Venturirohr eine Verweilzeit von 0,01 bis 1 sec hat. Ferner hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das mit flüssiger Asche verunreinigte Verbrennungsabgas mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 20 m/sec in das Venturirohr eintritt.

Wenn die Verbrennungsabgase einen hohen Gehalt an flüssiger Asche aufweisen, beispielsweise 20 bis 60 g/Nm³, hat es sich nach der Erfindung als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das mit der flüssigen Asche verunreinigte Verbrennungsabgas vor dem Eintritt in ein Venturirohr durch einen Massenkraftabscheider geführt wird, der vorzugsweise als Zyklon gestaltet ist. Mit dieser Verfahrensführung wird zunächst ein Teil der flüssigen Asche - und zwar vor allem große Aschetröpfchen - durch Massenkraftabscheidung abgetrennt, anschließend erfolgt dann die Agglomeration der kleinen Tröpfchen und schließlich wird in mindestens einem Massenkraftabscheider die restliche flüssige Asche nahezu quantitativ aus dem Abgas abgetrennt. Die Bindung der Alkalien Na⁺ und K⁺ in der flüssigen Asche erfolgt auch bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens nahezu quantitativ.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, die ein Verfahrensfließbild zeigt.

Über die Leitung 1 wird staubförmige Kohle, die in Luft suspendiert ist, und über die Leitung 2 wird Luft, die mit Sauerstoff angereichert sein kann, in die Brennkammer 3 geführt. Dort erfolgt die Verbrennung der Kohle bei Temperaturen von < 1600°C und einem Druck von 15 bis 20 bar. Die Verbrennung kann mit einer stöchiometrischen oder mit einer überstöchiometrischen Sauerstoffmenge durchgeführt werden. Bei der Verbrennung fällt die Asche in flüssiger Form an, und ein Teil der flüssigen Asche wird bereits der Brennkammer 3 über die Leitung 6 entnommen. Der andere Teil der flüssigen Asche ist im Rauchgas (Verbrennungsabgas) suspendiert und gelangt über die Leitung 4 in den Zyklon 5, wo mehr als 70% der flüssigen Asche abgeschieden werden, so daß aus dem Zyklon 5 über die Leitung 7 ein Abgas abgeführt wird, das bereits einen niedrigeren Aschegehalt von 2 bis 6 g/Nm³ hat. Dieses Abgas gelangt über die Leitung 7 in das Venturirohr 8, das aus dem Konfusor 8a, der Kehle 8b und dem Diffusor 8c besteht. Aus dem Diffusor 8c tritt das Abgas in den Prallabscheider 9 ein, wo erneut mehr als 90% der flüssigen Asche abgeschieden werden, so daß aus dem Prallabscheider 9 über die Leitung 10 ein Abgas austritt, dessen Aschegehalt unter 50 mg liegt. Das Abgas gelangt über die Leitung 10 in den Zyklon 12, wo nochmal eine Reduktion des Aschegehalts auf einen Wert < 5 mg/Nm³ eintritt. Das Reingas verläßt den Zyklon 12 über die Leitung 13, während die flüssige Asche, die in den einzelnen Prozeßapparaten anfällt, über die Leitungen 6, 11, 16 und 17 sowie 14 abgeführt wird.

Zum Anfahren der Prozeßapparate wird über die Leitung 15 anstelle von Kohle aschefreies Heizöl in die Brennkammer 3 eingebracht. Die Heizölzufuhr wird abgeschaltet, sobald alle Apparate auf die Abgastemperatur von ca. 1600°C aufgeheizt worden sind. Beim Abfahren der Prozeßapparate wird staubförmige Kohle durch Heizöl ersetzt, das über die Leitung 15 in die Brennkammer 3 gelangt. Die Verbrennung des Heizöls wird solange durchgeführt, bis aus allen Prozeßapparaten die flüssige Asche entnommen worden ist.

Ein Abgas, das 2 bis 6 g flüssige Asche enthält, die in sehr feinteiliger Form vorliegt, wird dem Konfusor des Venturirohrs in einer Menge von 20 000 Nm³/h mit einer Geschwindigkeit von 10 m/sec zugeführt. In der Kehle des Venturirohrs erfolgt eine Erhöhung der Gasgeschwindigkeit auf 50 m/sec. Der Diffusor des Venturirohrs, der eine Länge von 1,487 m hat und sich mit einem Winkel von 9° (bezogen auf die Waagerechte) erweitert, verleiht dem Gas eine Austrittsgeschwindigkeit von 10 m/sec. Die Verweilzeit des Gases im Venturirohr liegt bei ca. 0,07 sec, wobei die Verweilzeit im Diffusor etwa 0,05 sec beträgt. Im Diffusor des Venturirohrs tritt in vorteilhafter Weise eine Agglomeration der feinteiligen Aschetröpfchen ein. Hierbei werden auch die Alkalien Na⁺ und K⁺ weitgehend eingebunden, denn nach Abtrennung der flüssigen Asche wurde im Reingas ein Gehalt von < 0,3 mg Natrium und Kalium pro Nm³ ermittelt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Abtrennung flüssiger Asche aus Verbrennungsabgasen, die bei der Verbrennung fester Brennstoffe unter einem Druck von 1 bis 100 bar anfallen und eine Temperatur von 1200 bis 1800°C aufweisen, durch Massenkraftabscheidung, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der flüssigen Asche verunreinigte Verbrennungsabgas nach dem Verlassen der Brennkammer zunächst einem Venturirohr und anschließend mindestens einem Massenkraftabscheider zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der flüssigen Asche verunreinigte Verbrennungsabgas im Venturirohr eine Verweilzeit von 0,01 bis 1 sec hat.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der flüssigen Asche verunreinigte Verbrennungsabgas mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 20 m/sec in das Venturirohr eintritt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das mit flüssiger Asche verunreinigte Verbrennungsabgas vor dem Eintritt in eine Venturirohr durch einen Massenkraftabscheider, vorzugsweise einen Zyklon, geführt wird.