DE69304214T2

DE69304214T2 - Verfahren zur Verbrennung von festen Brennstoffen mit einem hohen Gehalt an schmelzbaren Aschen und Schwermetallen

Info

Publication number: DE69304214T2
Application number: DE69304214T
Authority: DE
Inventors: Gerard Martin
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1992-01-24
Filing date: 1993-01-19
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2013-01-20
Also published as: DE69304214D1; ATE142009T1; ES2093937T3; EP0553019A1; EP0553019B1; FR2686682B1; FR2686682A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Erzeugung von Wärme, die durch Verbrennung von festen Brennstoffen mit hohem Gehalt an schmelzbaren Aschen und an Schwermetallen erhalten wurde.
Insbesondere ermöglicht es das Verfahren nach der Erfindung Brennstoffe zu verbrennen, die aus heterogenen industriellen und/oder Haushaltsabfallstoffen erhalten wurden.
Die Erfindung ist somit insbesondere dazu bestimmt, Brennstoffe zu verbrennen, welche besondere Charakteristiken aufweisen und die aus diesem Grunde nicht in sämtlichen Arten thermischer Generatoren verwendet werden können.
Das Problem am Ausgang der vorliegenden Erfindung betrifft die Behandlung von Abfallstoffen, die durch Haushalte und Industrien erzeugt werden. Diese Abfallstoffe können sehr heterogen sein und können nicht immer einer Klassierung/Sortierung und einem Recyclieren der erhaltenen Fraktionen ausgesetzt werden, und zwar gleichzeitig wegen technischer wie wegen ökonomischer Grilnde. Diese heterogenen Abfallstoffe werden oft charakterisiert durch das Vorhandensein signifikativer Mengen mineralischer Materialien.
Unter diesen Materialien findet man kalkhaltige Verbindungen (beispielsweise Kalksteine) sowie Gläser. In Kombination weisen solche mineralischen Materialien relativ niedrige Schmelzpunkte auf, was oft Probleme schafft, wenn gewunscht wird, Abfälle in Feuerräumen zu veraschen, die normalerweise mit trockenen Aschen arbeiten.
Diese besonderen Abfallstoffe können direkt verbrannt werden oder können Gegenstand einer Vorbehandlung sein, um ihr Verhalten beim Speichern oder beim Verbrennen zu verbessern. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn man eine Dampfbehandlung von Haushaltsmüll, gefolgt von einer Granulierung, vornimmt. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, stabilisierten Müll zu erhalten, der über mehrere Monate lang gelagert werden kann und der leicht handhabbar ist. Die in den europärischen Patentanmeldungen EP-A-0 485 255 und EP-A-0 524 847 beschriebene Thermolyse der Abfallstoffe stellt auch eine Vorbehandlung der Abfallstoffe vor der Verbrennung dar. Sie formt den Müll in einen stabilisierten Brennstoff, der von einer relativ homogenen Granulometrie ist, um, der mit den klassischen Mitteln der pneumatischen Förderung kompatibel ist und sorgt im übrigen für die Eliminierung gewisser schädlicher Verbindungen wie Chlor, Schwefel, Fluor, Quecksilber etc...
Um die spezifischen oben beschriebenen Brennstoffe verbrennen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen thermischen Generator vom Typ "Zyklonfeuerung mit Schmelzaschen" zu verwenden.
Die Technik Zyklonfeuerung mit Schmelzaschen ist seit relativ langer Zeit bekannt und wird bisher zum Verbrennen von Kohlen verwendet.
Die US Patentschriften 4624191 und 4765258 erläutern jeweils eine Zyklonfeuerung und ein Verfahren zum Betrieb einer klassischen Zyklonfeuerung. Ein anderer Zyklon zur Verbrennung von Gas ist gezeigt im Dokument EP-A-0 455 624.
Darüber hinaus zeigt Fig. 1 in auseinandergezogener Perspektive eine solche Zyklonfeuerung, in der Verbrennungsluft tangential derart eingeführt wird, daß die Kohlepartikel gegen die Wand durch diesen Zentrifugaleffekt mitgerissen werden. Dieser Feuerungstyp sorgt für einen sehr intensiven Austausch zwischen der Luft und dem Brennstoff, was es ermöglicht, erhebliche Feuerungsleistungen (mehrere MW/m3) zu erhalten und verleiht so dem System Kompaktheit. Da im übrigen die Verweilzeit der Partikel viel größer als die der Gase ist, läßt die Feuerung Brennstoffe wesentlich groberer Granulometrie als Brenner mit Kohlenstaubfeuerung zu. Schließlich arbeiten die Zyklonf euerungen mit geringen Luftüberschüssen, was zu guten globalen Ergebnissen führt.
Die Tatsache, daß die spezifischen oben genannten Brennstoffe dank eines thermischen Generators vom Typ Zyklonfeuerung behandelt werden, bietet insbesondere die folgenden Vorteile:
- Die Verbrennungswirkungsgrade liegen wesentlich höher als in Veraschungssystemen, die einen Drehofen oder einen Rostofen beispielsweise benutzen. Die Wirkungsgrade liegen höher als 95%, sogar 98%, während nach dem Stand der Technik sie in der Größenordnung von 80 bis 90% liegen;
- der unterstöchometrische Betrieb, wie er unten erläutert werden wird, verhindert die Bildung von NO und N20 aus dem im Brennstoff enthaltenen Stickstoff;
- der wesentliche Anteil der durch diesen Verbrennungstyp erzeugten Aschen liegt in geschmolzener Form vor, wo man die größte Anzahl der metallischen Verunreinigungen findet. Diese Schmelzaschen werden als inert gegenüber der Umwelt angesehen und können entsorgt oder im Straßenbau beispielsweise ohne besondere Vorkehrungen eingesetzt werden;
- die zylindrische Feuerung besitzt eine gewisse Trägheit, welche leicht Schwankungen in der Zusammensetzung und somit im unteren Heizwert des Brennstoffs absorbiert;
- die Wahl einer Feuerung mit vertikaler Achse ermöglicht es, leichter den Generator nach der Erfindung in kleine Einheiten zur Behandlung und/oder zur Verbrennung der Abfallstoffe einzusetzen.
Die vorgenannten Vorteile können gleichzeitig dank der Erfindung realisiert werden, die sich auf ein Verfahren zur Verbrennung des in der Beschreibungseinleitung oben erwähnten Typs bezieht.
Insbesondere besteht das Verfahren darin, eine im wesentlichen adiabatische Verbrennung in einer Kammer (oder einer Zyklonfeuerung) zu realisieren, die mit wenigstens einem ersten Tangentialeingang versehen ist, dazu bestimmt, ein Gemisch aus Luft und Brennstoff einzublasen und welches in einer Spiralbewegung in dieser Kammer angetrieben wird, ein komplementäres Einblasen in diese Kammer herbeizuführen und die Schmelzaschen, die durch die Verbrennung erzeugt wurden, abzuziehen und zu kühlen und fur einen gesonderten Abzug der Verbrennungsabströme zu sorgen.
Erfindungsgemäß ist die allgemeine Bewegung der Strömung in dieser Kammer zunächst die einer um eine Vertikalachse absteigenden Spiralströmung und dann ansteigenden Strömung; der verwendete Brennstoff ist ein Abfallstoff oder ein Brennstoff, der aus einem Abfallstoff mit hohem Gehalt an Schmelzaschen hergeleitet wurde; der Brennstoff weist dabei ein CaO/SiO2- Verhältnis zwischen 0,2 und 1,2 auf.
Vorzugsweise wird die Verbrennung unterstöchiometrisch in dieser Kammer durchgeführt, dann wird die Verbrennung außerhalb der Kammer beendet.
In charakteristischer Weise liegt die mittlere Verweilzeit der Gase in der Verbrennungskammer zwischen 0,2 und 1 sec, bevorzugt zwischen 0,3 und 0,6 sec.
Im übrigen kann eine Kühlung der Aschen vorgesehen sein. Die Kühlung kann durch Abschrecken der Aschen in einer Flüssigkeit kalt erfolgen. Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen kann die Kühlung trocken, beispielsweise durch Belüftung der Aschen, realisiert werden.
In geeigneter Weise kann eine Extraktion der in den Verbrennungsabströmen enthaltenen Partikel durchgeführt werden durch ein Mittel, das hierzu vorgesehen und benachbart dem Austritt der Abströme angeordnet sein kann.
Spezifisch kann ein Wärmeaustausch stattfinden, beispielweise dadurch, daß in die Abschreckflüssigkeit der Aschen eine geeignete Vorrichtung eingesetzt wird.
Zusätzlich kann ein Gemisch aus Luft und flüssigem oder gasförmigem zusätzlichen Brennstoff die Verbrennungskammer speisen; die Masse dieses Brennstoffs kann zwischen 5 und 50% der Masse des festen Brennstoffs liegen.
Das Verfahren nach der Erfindung wird noch besser verständlich beim Lesen der folgenden Beschreibung, die auf die beiliegenden Figuren Bezug nimmt, in denen:
- Fig. 2 ein Längsschnitt durch eine Installation, die einen Wärmeaustauscher umfaßt;
- Fig. 3 ein Längsschnitt durch einen Wärmeerzeuger, der es ermöglicht, die Erfindung zu verwirklichen;
- Fig. 4 ein Längsschnitt durch einen anderen Wärmeerzeuger;
- Fig. 5 ein Längsschnitt durch einen zusätzlichen Wärmeerzeuger; und
- Fig. 6 ein Teillängsschnitt durch eine mögliche Ausführungsform des Wärmeerzeugers, ist.
Fig. 2 ist eine vereinfachte Darstellung des Wärmeerzeugers, der die Ausführung der Erfindung gestattet. Diese umfaßt eine vertikale Zyklonfeuerung 1, die sich unterteilt in einen zylindrischen oberen Teil 1-a und einen konischen unteren Teil 1-b. Der Zyklon ist ausgestattet mit einer Leitung 2, die eine tangentiale Einführung von Primärluft und Brennstoff gestattet. Die Durchsätze von Primärluft und Brennstoff sind derart eingestellt, daß sie im Zyklon 1 unterstöchiometrisch sind.
Die Primärluft wird auf eine Temperatur zwischen 100 und 500ºC in einem Wärmeaustauscher 3 vorgewärmt. Dieser Austauscher arbeitet beispielsweise mit heißen Rauchgasen, die einer Verbrennungskammer 4 über die Leitung 5 entnommen wurden. Die Verbrennungskammer 4 besteht auf dem hinter der Feuerung 1 rauchgasseitig angeordneten Volumen. Nach Einführen in die Feuerung schreitet die Gas-Partikeiströmung nach unten fort und folgt einer spiralförmigen Bewegung, die sich im konischen Teil umdreht und dann vertikal in dem zentralen Teil nach oben geht, um über wenigstens eine obere Axialöffnung 6 auszutreten. Während dieses Weges erwärmen sich die Partikel, entflammen und konzentrieren sich in Höhe der Wandung des Zyklons 1. Im unteren Teil des Zyklons ist die Temperaturerhöhung derart, daß die Aschen schmelzen und gegen wenigstens eine Austrittsöffnung 7 strömen. Anschließend fallen die Aschen in einen Raum 8, der wassergefüllt ist, wo sie abgeschreckt und gekühlt werden.
Diese Aschen, die in Form kleiner verglaster Granulate vorliegen, werden vom Generator nach außen über eine mechanische Abzugsvorrichtung 9 (beispielsweise Rakeleinrichtung) abgezogen, die beispielsweise auf einem Extraktionsschuh 10 montiert ist. Das im Raum 8 enthaltene Wasser sorgt auch für die pneumatische Isolierung des Systems gegenüber außen. Die Öffnung 6 der Zyklonfeuerung 1 ist bevorzugt ausgestattet mit einer Vorrichtung 11, die das Einführen von Sekundärluft, die für den Abschluß der Verbrennung bestimmt ist, ermöglicht. Eine spezifische Leitung 13 ist vorgesehen, um Sekundärluft zur Vorrichtung 11 heranzuführen. In Höhe der Vorrichtung 11 entwickelt sich eine zweite Flamme. Die Verbrennungsprodukte werden dann in eine Konvektionsaustauscherzone 12 geschickt, um bei einer Temperatur zwischen 150 und 400ºC zurückgeführt zu werden und dann gegen eine in Fig. 2 nicht dargestellte Filtereinrichtung abgezogen zu werden.
Selbstverständlich können Schieber, Ventile und andere Durchsatzsteuermittel (nicht mit Bezugszeichen bezeichnet) auf den unterschiedlichen Leitungen 2, 5, 13... der Installation angeordnet sein.
Mit diesem ersten Wärmeerzeuger/Generator kann sich in Höhe des Kontakts zwischen den geschmolzenen Aschen und dem Wasser des Raums 8 eine übermäßige Verdampfung des Abschreckwassers und/oder die Bildung eines Dampfes/Nebels, der auf die Phänomene der Erhitzung zurückzuführen ist, einstellen.
Um diesem evtl. Problem zu begegnen wird eine andere Ausführungsform der Erfindung, wie sie schematisch in Fig. 3 dargestellt ist, vorgeschlagen.
Dieser Wärmeerzeuger unterscheidet sich von dem vorgenannten Wärmeerzeuger nur durch die Hinzufügung einer Vorrichtung 20, die im Hohlraum 8 angeordnet ist und die dazu bestimmt ist, die Aschen trocken zu kühlen. Um dies durchzuführen werden einer oder mehrere metallische Drehzylinder 21 mit horizontaler Achse innen durch Sekundärluft gekühlt, die aus einer spezifischen Rohrleitung 22 stammt, die von der Hauptleitung 13 abgeht und die im Hohlraum 8 mündet. Rippen 23 innerhalb der Zylinder 21 können vorgesehen sein, um den Wärmeaustausch mit der Verbrennungsluft zu verbessern. So fallen die Schmelzaschen auf zwei oder mehr der Zylinder 21. Räumer- oder Rakelvorrichtungen 24, die beispielsweise auf den Wandungen des Raums 8 befestigt sind, stehen in Kontakt mit jedem Zylinder 21, um das Lösen der an den Zylindern 21 anhaftenden Aschen zu erleichtern. Ein wassergefüllter Siphon 25 ist vorzugsweise in Höhe des Austritts der gekühlten Aschen vorgesehen, um die pneumatische Isolierung gegenüber der äußeren Umgebung sicherzustellen. Wie bei der mit Bezug auf Fig. 2 beschriebenen Ausführungsform werden die in den Raum 8 gefallenen Aschen über mechanische Mittel 9 abgezogen.
Eine andere Besonderheit, die mit der Ausführungsform der Fig. 3 in Zusammenhang steht, liegt in der Regelung des Aschenabzugs. Um eine ausreichende Temperatur der Aschen aufrecht zu erhalten, um sie im geschmolzenen Zustand in Höhe der Durchgangsöffnung zu halten, ist diese so kalibriert, daß ein Teil der Verbrennungsprodukte über diese Öffnung entweicht (anstatt im aufsteigenden Strom mitgerissen zu werden). So werden die Verbrennungsprodukte teilweise in Kontakt mit den Zylindern 21, dann mit dem am Boden des Raums 8 vorhandenen Wasser gekühlt. Diese Produkte verlassen bevorzugt den Raum 8 über die Leitung 22, in der sie mit Sekundärluft, die aus der Hauptleitung 13 stammt, vermischt werden.
Nachdem sie in die Rohrleitung 22 übergegangen sind, werden diese Verbrennungsprodukte vermittels der Vorrichtung 11 recycliert. Eine Durchsatzsteuervorrichtung (ohne Bezugszeichen) kann selbstverständlich in der Rohrleitung 22 vorgesehen sein.
Eine andere mögliche, die Durchführung der Erfindung gestattende Anordnung ist in Fig. 4 gezeigt und betrifft das Vorsehen eines Fuchses bzw. Kamins 40, der am Ausgang 6 der Zyklonfeuerung aufgehängt ist. Die Vorrichtung 40 ermöglicht es, die Menge der aus der Zyklonfeuerung mitgerissenen Partikel zu vermindern und erhöht so die Ausbeute an Schmelzaschen. Der Kamin hat eine im wesentlichen zylindrische Form, leicht konische Varianten können jedoch auch verwendet werden.
Eine andere die Erfindung verwirklichende Ausführungsform ist in Fig. 5 gezeigt. Sie besteht darin, ein Wärmeaustauscherbündel 50 in der Abschreckflüssigkeit für die Aschen einzusetzen, um seine Temperatur in einem gegebenen Bereich, beispielsweise zwischen 60 und 95ºC, zu halten. Das Wärmeaustauscherbündel 50 kann ein Speisewasservorwärmer sein, der das Wasser bei seinem Eintritt oder bei seinem Rücklauf in den Kessel erwärmt. Die Vorrichtung 50 ermöglicht es, einen guten Teil der Schmelzwärme und der Latentenwärme der Aschen rückzugewinnen. Die Vorrichtung 50 verbessert somit den energetischen Gesamtwirkungsgrad des Wärmeerzeugers. Sie vermeidet auch eine zu starke Verdampfung der Abschreckflüssigkeit und reduziert die zur Zyklonfeuerung mitgerissenen Dampfmengen. Der Abstand zwischen den Rohren des Austauscherbündels 50 ist gleich dem minimalen zweifachen Außendurchmesser der Rohre, um einen Durchgang für die verfestigten Aschepartikel freizulassen.
Im Falle von Brennstoffen mit sehr starkem Aschegehalt, mehr als 60%, oder für Aschen, die Schmelzprobleme bieten, arbeitet die Zyklonfeuerung in weiter vorteilhafter Weise unter Hinzufügung eines Unterstützungsbrennstoffs. Fig. 6 ist ein Beispiel, das diese Möglichkeit erläutert. Die Zyklonfeuerung 1 umfaßt eine erste Leitung zur tangentialen Einführung von Unterstützungsbrennstoff, bei dem es sich um einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff 60 im Gemisch mit Verbrennungsluft handelt. Das Verbrennungsluft/Brennstoffverhältnis ist derart, daß es nahe der Stöchiometrie liegt. Es stellt sich somit eine erste sehr heiße Flamme im oberen Teil der Zyklonfeuerung ein. Der feste Brennstoff wird über die Leitung 61 eingeführt, die auch tangential in der Feuerung 1 mündet. Der Luftdurchsatz, der den Brennstoff begleitet, ist derart, daß die Globalstöchiometrie in der Zyklonfeuerung sich im vorher definierten Bereich befindet. Der Durchsatz des Hilfsbrennstoffs kann bezogen auf die Masse 5 bis 50% des Durchsatzes des festen Brennstoffs darstellen.
Bei sämtlichen oben in Betracht gezogenen Ausführungsformen wird die Sekundärluft über die Vorrichtung in Höhe des oberen Ausgangs 6 der Zyklonfeuerung 1 eingeführt.
Da die aus der zyklonfeuerung stammenden Rauchgase/Abströme sich in intensiver Rotationsbewegung befinden, stellt sich im allgemeinen eine sehr rasche Mischung der beiden Gasströme ein. Diese sehr rasche Mischung kann zu lokal erhöhten Temperaturen führen, was die Bildung von NO thermischen Ursprungs begünstigt. Um diese NO-Bildung zu vermeiden kann die Einführung von Sekundärluft weit vom Ausgang 6 der Zyklonfeuerung vorgenommen werden, um die Mischung der beiden Gasströme zu verzögern. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Austritt der Zyklonfeuerung mit einer Vorrichtung auszustatten, die das In-Drehung-Versetzen der aus der Zyklonfeuerung stammenden Rauchgase zu reduzieren oder zu unterdrücken. Diese Vorrichtung kann ein Gitter, ein Monolith mit großen Maschen, ein Austritt in Form von einem Kreuz oder Stern oder jede andere dem Fachmann bekannte Vorrichtung sein. Sie kann an dem Ausgang 6 der Zyklonfeuerung montiert sein oder kann einen integrierenden Bestandteil des Kamins 40, wenn ein solcher existiert, bilden.
Selbstverständlich können die in jeder der die Realisierung der Erfindung ermöglichenden Ausführungsform offenbarten besonderen Elemente getrennt oder zusammen vorgesehen sein. Der Fachmann wählt als Funktion der besonderen Arbeitsbedingungen, denen der Wärmeerzeuger entsprechen muß, die Ausstattung dieses Wärmeerzeugers mit einem oder mehreren dieser besonderen Elemente.
Die Erfindung betrifft das Verfahren zum Betrieb des vorbeschriebenen Wärmeerzeugers. Die Hauptstufen des Verfahrens sind eingangs der Beschreibung niedergelegt. Komplementär stützt man sich auf die folgenden Merkmale:
- der oder die verwendeten Brennstoffe haben eine Granulometrie zwischen 1 und 10 000 Mikron;
- die Arbeitstemperatur des Feuerraums 1 befindet sich zwischen 1000 und 1800ºC, bevorzugt zwischen 1200 und 1500ºC;
- die schmelzbaren Aschen stellen 20 bis 90 Massen% dar, weisen einen hohen Gehalt an Stickstoff (0,5 bis 5 Massen%) und einen hohen Gehalt an Schwermetallen (0,1 bis 5 Massen%) auf.
Im Gegensatz zur Zyklonfeuerung 1 ist die Zone 4, in der die Verbrennung beendet wird, nicht notwendigerweise aus feuerfesten Materialien gebildet, da die Adiabatizität in dieser zweiten Verbrennungsstufe nicht nachgesucht wird.

Claims

1. Zum Verbrennen fester Brennstoffe bestimmtes Verfahren, darin bestehend, eine im wesentlichen adiabatische Verbrennung in einem Zyklonfeuerraum (1) durchzuführen, der mit wenigstens einem tangentialen Eingang für ein Gemisch aus Luft und primärem Brennstoff versehen ist und der so mit einer spiralförmigen Bewegung um eine vertikale Achse in diesem Feuerraum (1) beaufschlagt ist und über einen gesonderten Abzug der Aschen und der Verbrennungsabströme verfügt, bei dem diese Verbrennung unterstöchiometrisch in diesem Feuerraum (1) durchgeführt und außerhalb dieses Feuerraums beendet wird und bei dem der feste Brennstoff ein Abfall oder ein aus einem Abfall abgeleiteter Brennstoff mit einem hohen Gehalt an schmelzbaren Aschen ist, wobei der feste Brennstoff ein Verhältnis von CaO/SiO2 zwischen 0,2 und 1,2 und einen hohen Gehalt an Stickstoff und Schwermetallen derart aufweist, daß dieses Verfahren es ermöglicht, die NOx- Emissionen zu vermindern und geschmolzene der Umgebung gegenüber inerte Aschen zu restituieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Verweilzeit der Gase in diesem Feuerraum (1) zwischen 0,2 und 1 Sekunde, bevorzugt zwischen 0,3 und 0,6 Sekunden, beträgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abkühlung der Aschen vorgesehen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der Aschen durch Abschrecken der Aschen in einer Kühlflüssigkeit durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung trocken unter Belüftung der Aschen durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Extraktion der in den Verbrennungsabströmen enthaltenen Partikel vorgesehen und dank eines Mittels (40) durchgeführt wird, das benachbart dem Austritt (6) der Abströme angeordnet ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeaustausch im übrigen dadurch realisiert wird, daß in die Kühlflüssigkeit für die Aschen eine Wärmeaustauschervorrichtung (50) eingesetzt ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Speisung mit Brennstoff in Höhe dieses Feuerraums (1) vorgesehen ist, die 5 bis 50 % des Durchsatzes an festem Primärbrennstoff ausmacht.