DE4336100C1 - Vorrichtung zur Abscheidung flüssiger Asche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abscheidung flüssiger Asche aus dem bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe anfallenden Abgas, das eine Temperatur von 1200 bis 1800°C, einen Druck von 1 bis 100 bar und einen Aschegehalt von 0,1 bis 60 g/Nm³ hat, wobei die Vorrichtung aus einem Zyklon besteht, der einen Gaseinlaß für die tangentiale Zufuhr des Abgases sowie einen Gasauslaß für die Abfuhr des gereinigten Gases aufweist.

Es ist bekannt, daß kleine Kohleteilchen in einem sauerstoffhaltigen Gas suspendiert und in einer Brennkammer verbrannt werden können, wobei die anorganischen Bestandteile der Kohle als Asche anfallen. Abhängig von der Ausführung der Verbrennungseinrichtung (z. B. Schmelzkammerfeuerung), dem Brennstoff und auch der angebotenen Sauerstoffmenge 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 oberhalb der Schmelztemperatur von Asche, also zwischen 1200 und 1800°C, liegt.

Mit der Erzeugung eines derartigen Verbrennungsabgases fällt also die bei der Verbrennung von Kohle entstehende Asche nicht in fester, sondern in flüssiger Form an. Vor der Nutzung des heißen Verbrennungsabgases in einer Gasturbine muß die flüssige Asche weitgehend quantitativ aus dem Verbrennungsabgas entfernt werden, da die Gasturbine anderenfalls durch die sich ablagernden und verfestigenden Aschetröpfchen zerstört würde.

Aus der DE 35 19 235 A1 ist ein Verfahren zum Trennen von Feststoffteilchen und gasförmigen Materialien bekannt, bei dem eine Suspension von Feststoffteilchen und gasförmigen Materialien in den oberen Abschnitt eines Zyklon-Trennbehälters geführt wird, der mit einer Zyklonwirbelzone und einer unteren Zone eines in dichter Phase vorliegenden Bettes versehen ist. Die abgeschiedenen gasförmigen Materialien werden aus dem oberen Abschnitt der Zyklonzone entfernt, und die Feststoffteilchen werden mittels einer Abgabeeinrichtung durch Belüftung aus der unteren Zone des dichten Bettes entnommen. Dieses Verfahren wird zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen aus Ölschiefer, Teersand, Fettkohle oder Flammkohle verwendet und arbeitet bei Temperaturen oberhalb 400°C.

Die DE-PS 8 69 938 hat ein Verfahren zur Reinigung komprimierter Gase zum Gegenstand, das darin besteht, daß das Gas zunächst einer Zentrifugalwirkung in einem verengten Raum unterworfen wird, an dessen Wandung sich im Gas enthaltene Flüssigkeit abscheidet, daß anschließend das Gas plötzlich entspannt wird, um eine weitere Flüssigkeitsabscheidung hervorzurufen, und daß es dann zwecks Resttrocknung nacheinander durch ein erstes mit Füllkörpern gefülltes Filter und durch ein zweites Filter aus einem zusammendrückbaren schwammigen Material geführt wird. Dieses bekannte Verfahren dient der Reinigung und insbesondere der Trocknung komprimierter Gase, wie z. B. Preßluft, und arbeitet bei Normaltemperatur.

In der deutschen Patentanmeldung P 43 18 385.9 wurde ein Verfahren zum Abscheiden von flüssiger Asche aus einem Rauchgas aus der Verbrennung oder Vergasung fester oder flüssiger Brennstoffe vorgeschlagen, bei dem das Rohgas Temperaturen im Bereich von 1100 bis 1800°C und einen Druck von 1 bis 40 bar aufweist. Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, daß das die Aschetröpfchen enthaltende Rohgas in einem Abscheider in einer Einlaßkammer durch eine erste Schüttung aus Füllkörpern abwärts in einen Strömungsumlenkraum strömt, im Strömungsumlenkraum nach oben umgelenkt wird und in einer Auslaßkammer durch eine zweite Schüttung aus Füllkörpern aufwärts zu einem Gasauslaß strömt, wobei die effektive Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgases im Bereich der ersten Schüttung 1,5 bis 10mal so hoch wie im Bereich der zweiten Schüttung ist. Bei diesem Verfahren wird die Abscheidung der flüssigen Asche also im wesentlichen durch zwei Schüttschichten bewirkt, in denen das zu reinigende Abgas jeweils eine unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit hat.

Aus der DE 39 07 457 A1 ist eine Vorrichtung zur Abscheidung flüssiger Asche aus dem bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe anfallenden Abgas bekannt, wobei das Abgas eine Temperatur von 1200 bis 1800°C, einen Druck von 1 bis 100 bar und einen Aschegehalt von 0,1 bis 60 g/Nm hat. Diese Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse, in dem mindestens eine Prallfläche angeordnet ist, das eine Einrichtung zur Entnahme der flüssigen Asche aufweist und dem mindestens ein als Schüttbett ausgebildetes und aus keramischen Festkörpern bestehendes Filterelement nachgeschaltet ist. Die keramischen Festkörper können beispielsweise kugelförmig sein und enthalten als Hauptbestandteile Al₂O₃, SiO₂, MgO und/oder ZrO₂. Das Schüttbett wird vom Abgas beispielsweise senkrecht von oben nach unten oder von unten nach oben durchströmt. Hierdurch wird erreicht, daß die flüssigen Aschepartikel gröbere Tropfen oder Flüssigkeitslamellen bilden, die weitgehend dem Schwerkraftgesetz folgen und ziemlich unabhängig von der Gasströmung in einen Sammelbehälter gelangen.

Diese bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß das zu reinigende Abgas wegen der räumlichen Trennung von Prallabscheider und Schüttschichtfilter eine zwischen diesen beiden Apparaten liegende längere Fließstrecke durchströmen muß, die dafür verantwortlich ist, daß die im Prallabscheider nicht abgeschiedenen Aschetröpfchen zumindest teilweise im Gasstrom erneut fein dispergiert werden, was dazu führt, daß das Schüttschichtfilter verhältnismäßig groß dimensioniert werden muß, um die fein dispergierten Aschetröpfchen aus dem Abgasstrom entfernen zu können. Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtung ist, daß sowohl der Prallabscheider als auch das Schüttschichtfilter einen Austrag für die flüssige Asche aufweisen muß. Da über jeden Austrag vergleichsweise wenig flüssige Asche abfließt, sind die Aufwendungen für die Wärmeisolation beider Ascheabflußeinrichtungen besonders hoch, denn es ist unbedingt zu vermeiden, daß es zum Einfrieren der Einrichtungen zum Austrag der flüssigen Asche kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Abscheidung flüssiger Asche aus Verbrennungsabgasen zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Vorrichtung vermeidet und eine nahezu quantitative Abtrennung der flüssigen Asche aus heißen Abgasen bewirkt, was mit einfachen konstruktiven Mitteln erreicht werden soll.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Zyklon der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Schüttschicht enthält, die 20 bis 80% des Zyklonvolumens ausfüllt, aus keramischen Festkörpern besteht und vom Abgas in Richtung der Zyklonwand und von oben nach unten durchströmt wird.

Der erfindungsgemäße Zyklon hat den Vorteil, daß er gegenüber einem bekannten Schüttschichtfilter bei gleicher zu reinigender Gasmenge ein vergleichsweise kleines Bauvolumen aufweist, da ihm das Abgas mit relativ hoher Gasgeschwindigkeit tangential zugeführt werden kann, ohne daß sich hinsichtlich der Abscheideleistung Nachteile ergeben. Dadurch, daß dem Zyklon das mit flüssigen Aschetröpfchen verunreinigte Abgas tangential zugeführt wird, werden die im Abgas vorhandenen Tropfen - auch durch die Schüttschicht - nach der Zyklonwand hin bewegt und agglomerieren zu größeren Tropfen am äußeren Rand des Zyklons und in der Schüttschicht. Die Aschetröpfchen werden insbesondere in der Schüttschicht vergrößert, so daß sie nach ihrem Austritt aus der Schüttschicht leicht unter Massenkrafteinfluß aus dem Rauchgas entfernt werden können. Das so gereinigte Rauchgas verläßt den Zyklon an seiner Ober- oder Unterseite. Durch die räumliche Integration der Schüttschicht in den Zyklon wird also eine Steigerung der Abscheideleistung sowie eine Erhöhung der Betriebssicherheit erreicht. Außerdem sind das Bauvolumen sowie der Aufwand für die Wärmeisolation der Vorrichtung gering. Für den Fachmann war insbesondere nicht vorhersehbar, daß durch das Zusammenwirken eines Zyklons und einer Schüttschicht, die 20 bis 80% des Zyklonvolumens einnimmt, eine nahezu quantitative Abtrennung der flüssigen Asche aus heißen Abgasen erreicht werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im Dauerbetrieb ein Reingas erzeugt, das immer einen Aschegehalt < 5 mg/Nm³ hat, auch wenn der Gehalt des Abgases an flüssiger Asche schwankt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Abgas mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 40 m/s in den Zyklon eintritt. Gerade bei hohen Gasgeschwindigkeiten wurde auch eine hohe Reinigungsleistung beobachtet, was sich außerordentlich vorteilhaft auf die Baugröße der erfindungsgemäßen Vorrichtung auswirkt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die keramischen Festkörper aus Al₂O₃₁ ZrO₂, HfO₂ und/oder MgO bestehen, die Form von Ringen oder Kugeln haben und einen Durchmesser von 5 bis 100 mm aufweisen. Eine aus diesen keramischen Festkörpern bestehende Schüttschicht hat sich im Dauerbetrieb besonders bewährt, zumal die Festkörper gegen die flüssige Asche und die Inhaltsstoffe der heißen Abgase inert sind.

In einigen Fällen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Schüttschicht aus zwei bis vier Teilschichten besteht, wobei jede Teilschicht Festkörper mit gleichem Durchmesser enthält und wobei die Durchmesser der Festkörper der einzelnen Teilschichten unterschiedlich groß sind. Hierdurch wird das Agglomerationsverhalten einiger flüssiger Aschen positiv beeinflußt.

Ferner ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Schüttschicht, abhängig von der Zyklonhöhe, eine Höhe von 100 bis 1500 mm hat. Dieser Höhenbereich reicht mit Sicherheit aus, um eine weitgehende Agglomeration der im Abgas fein dispergierten flüssigen Aschetröpfchen zu bewirken. In Schüttschichten mit geringer Höhe werden im allgemeinen Festkörper mit kleinem Durchmesser verwendet; in Schüttschichten mit größerer Höhe kommen auch Festkörper mit größerem Durchmesser zum Einsatz.

Schließlich ist nach der Erfindung vorgesehen, daß die Schüttschicht von einer Lochplatte oder einer aus großen keramischen Festkörpern bestehenden Stützschicht getragen wird. Die Festkörper der Stützschicht sind z. B. als Ringe oder Kugeln geformt, bestehen aus Al₂O₃, ZrO₂, HfO₂ und/oder MgO und haben, je nach dem Durchmesser der Festkörper der Schüttschicht, einen Durchmesser von 70 bis 130 mm. Die Lochplatte besteht ebenfalls aus den genannten keramischen Materialien.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung sowie eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Zylindrischer Zyklon mit Schüttschicht.

Fig. 2 Zyklon mit Tauchrohr und Schüttschicht.

Der in Fig. 1 dargestellte Zyklon 1 hat die Form eines Zylinders und ist an seinem oberen Ende mit einem Gaseinlaß 2 ausgerüstet, durch den Abgas 3 tangential in den Zyklon 1 eingebracht wird. Die Bodenfläche des Zyklons 1 wird von einer Lochplatte 5 gebildet. Die Innenseite der Wand des Zyklons 1 ist mit einem Feuerfestbeton ausgekleidet. Auf der Lochplatte 5 ist eine Schüttschicht 4 angeordnet, die 60% des Volumens des Zyklons 1 einnimmt. Die Schüttschicht 4 besteht aus Al₂O₃-Kugeln, die einen Durchmesser von 30 mm haben. Das Abgas 3 wird bei seinem Eintritt in den Zyklon 1 durch Zentrifugalkraft an die Wand geschleudert, wo eine Agglomeration der fein dispergierten flüssigen Asche erfolgt. Die Aschetröpfchen fließen an der Wand des Zyklons herab bzw. durchlaufen die Schüttschicht 4. Flüssige Asche, die sich nicht an der Zyklonwand in Form von Tröpfchen abscheidet, wird also in die Schüttschicht 4 eingetragen, die vom Abgas in Richtung der Zyklonwand und von oben nach unten durchströmt wird. Beim Durchgang durch die Schüttschicht 4 agglomerieren die Aschetröpfchen, so daß aus den Öffnungen der Lochplatte 5 Aschetröpfchen austreten, die aus einem Ascheauslaß 9 abfließen. Aus der Lochplatte 5 austretendes gereinigtes Gas 8 verläßt die Vorrichtung über ein Gehäuse 6 und einen Gasauslaß 7. Nachdem flüssige Asche 11 und das Reingas 8 den Zyklon 1 verlassen haben, kommt es nicht zu einer erneuten Dispergierung der flüssigen Asche im Gasstrom, da einerseits die Gasgeschwindigkeit stark herabgesetzt ist und andererseits nur noch vergleichsweise große Aschetröpfchen vorliegen. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der Zyklon 1, der Ascheaustrag 9 und das der Reingassammlung dienende Gehäuse 6 eine gemeinsame Achse 10 haben, die sowohl senkrecht als auch schräg angeordnet sein kann.

Der Betrieb der in Fig. 1 dargestellten, erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert:

Höhe des Zyklons 1|700 mm
Durchmesser des Zyklons 1	400 mm
Höhe der Schüttschicht 4	490 mm
Geschwindigkeit des Abgases 3	30 m/s
Menge des Abgases 3	1000 m³/h
Menge der flüssigen Asche im Abgas 3	6 g/m³
Geschwindigkeit des Reingases 8 im Gasauslaß 7	4-6 m/s
Temperatur des Abgases und des Reingases	ca. 1400°C
Aschegehalt im Reingas	<5 mg/m³

Es ist möglich, daß bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung die Lochplatte 5 durch große keramische Festkörper, vorzugsweise durch Kugeln mit einem Durchmesser von 80 bis 120 mm, ersetzt wird. Diese Kugeln stützen die Schüttschicht 4 nach unten ab und sind im unteren Teil des Gehäuses 6 so angeordnet, daß auf ihnen die im Zyklon 1 befindliche Schüttschicht aufliegt.

In einigen Fällen hat sich die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung als vorteilhaft erwiesen, bei der im Zyklon 1′ eine Schüttschicht 4′ angeordnet ist, die aus zwei Teilschichten 4a′, 4b′ besteht. Die obere Teilschicht 4a′ enthält kugelförmige keramische Festkörper mit einem Durchmesser von 30 mm, während die untere Teilschicht 4b′ von kugelförmigen Festkörpern mit einem Durchmesser von 80 mm gebildet wird. In den Zyklon 1 mit einer Asche 10′ ragt ein als Gasauslaß gestaltetes, in der Höhe nicht veränderbares Tauchrohr 7′, über welches das gereinigte Gas 8′, abfließt. Abgas 3′ wird dem Zyklon 1′ über einem Abgaseinlaß 2′ zugeführt. Flüssige Asche 11′ wird über einen Auslaß 9′ abgeführt. Die Schüttschicht 4′ verhindert, daß flüssige Asche im Reingas bei dessen Übertritt in das Tauchrohr dispergiert wird. Die Schüttschicht 4′ nimmt 70% des Zyklonvolumens ein.

Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darauf zu achten, daß die Betriebstemperatur immer oberhalb der Verfestigungstemperatur der Asche liegt, um das "Einfrieren" zu vermeiden. Beim Anfahren der Vorrichtung muß also so lange mit einem aschefreien Brennstoff aufgeheizt werden, bis die optimale Betriebstemperatur erreicht ist und mit der Verbrennung von Kohle begonnen werden kann. Das Abfahren der Vorrichtung erfolgt in der Weise, daß die Kohlezufuhr gestoppt und ein aschefreier Brennstoff so lange bei der optimalen Betriebstemperatur verbrannt wird, bis die gesamte flüssige Asche aus der Vorrichtung abgeflossen ist.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Abscheidung flüssiger Asche aus dem bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe anfallenden Abgas, das eine Temperatur von 1200 bis 1800°C, einen Druck von 1 bis 100 bar und einen Aschegehalt von 0,1 bis 60 g/Nm³ hat, wobei die Vorrichtung aus einem Zyklon besteht, der einen Gaseinlaß für die tangentiale Zufuhr des Abgases sowie einen Gasauslaß für die Abfuhr des gereinigten Gases aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zyklon (1, 1′) eine Schüttschicht (4, 4′) enthält, die 20 bis 80% des Zyklonvolumens ausfüllt, aus keramischen Festkörpern besteht und vom Abgas (3, 3′) in Richtung der Zyklonwand und von oben nach unten durchströmt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas (3, 3′) mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 40 m/s in den Zyklon (1, 1′) eintritt.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Festkörper aus Al₂O₃, ZrO₂, HfO₂ und/oder MgO bestehen, die Form von Ringen oder Kugeln haben und einen Durchmesser von 5 bis 100 mm aufweisen.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttschicht (4, 4′), abhängig von der Zyklonhöhe, eine Höhe von 100 bis 1500 mm hat.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttschicht (4, 4′) aus zwei bis vier Teilschichten (4a′, 4b′) besteht, wobei jede Teilschicht Festkörper mit gleichem Durchmesser enthält und wobei die Durchmesser der Festkörper der einzelnen Teilschichten unterschiedlich groß sind.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttschicht (4) von einer Lochplatte (5) oder einer aus großen keramischen Festkörpern bestehenden Stützschicht getragen wird.