EP0226140A2 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbrennen von esten Brennstoffen in einer zirkulierenden Wirbelschicht - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Verbrennen von esten Brennstoffen in einer zirkulierenden Wirbelschicht Download PDF

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EP0226140A2
EP0226140A2 EP86116899A EP86116899A EP0226140A2 EP 0226140 A2 EP0226140 A2 EP 0226140A2 EP 86116899 A EP86116899 A EP 86116899A EP 86116899 A EP86116899 A EP 86116899A EP 0226140 A2 EP0226140 A2 EP 0226140A2
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EP
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ash
fluidized bed
reactor
bed reactor
combustion
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EP0226140A3 (de
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Günter Dipl.-Ing. Reichert
Franz Dipl.-Ing. Thelen
Wolfgang Dr.-Ing. Benesch
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Steag GmbH
Original Assignee
Steag GmbH
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Publication date
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Publication of EP0226140A2 publication Critical patent/EP0226140A2/de
Publication of EP0226140A3 publication Critical patent/EP0226140A3/de
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C10/00—Fluidised bed combustion apparatus
    • F23C10/02—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed
    • F23C10/04—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed the particles being circulated to a section, e.g. a heat-exchange section or a return duct, at least partially shielded from the combustion zone, before being reintroduced into the combustion zone
    • F23C10/08—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed the particles being circulated to a section, e.g. a heat-exchange section or a return duct, at least partially shielded from the combustion zone, before being reintroduced into the combustion zone characterised by the arrangement of separation apparatus, e.g. cyclones, for separating particles from the flue gases
    • F23C10/10—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed the particles being circulated to a section, e.g. a heat-exchange section or a return duct, at least partially shielded from the combustion zone, before being reintroduced into the combustion zone characterised by the arrangement of separation apparatus, e.g. cyclones, for separating particles from the flue gases the separation apparatus being located outside the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C10/00—Fluidised bed combustion apparatus
    • F23C10/18—Details; Accessories
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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    • F23C2206/10—Circulating fluidised bed
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J2219/00—Treatment devices
    • F23J2219/10—Catalytic reduction devices

Definitions

  • this object is achieved in that at least a portion of the separated ash is returned to the fluidized bed reactor at a temperature in the range between 20 and 250 ° C., the temperature in the fluidized bed reactor is measured at at least one point and the at least one recycled ash portion is dependent is controlled by the temperature measured in the fluidized bed reactor.
  • the device according to the invention for performing this method is defined in claim 11.
  • the invention eliminates the hot gas cyclones and furnace bores necessary in known processes, and on the one hand the fluidized bed coolers specially used to cool the ashes are superfluous, and on the other hand, proven and cheap shell boilers can be used even in the low power range below 50 MW th .
  • a large water chamber flue tube boiler or a water tube boiler can be installed directly downstream of the actual fluidized bed reactor, for example directly on top.
  • the majority of the returned ash is obtained from a dust separation system downstream of the cooling surfaces, i.e. in the cold part of the plant.
  • the amount of ash recovered and recycled from the dust separators can be easily regulated so that the optimum temperatures in the fluidized bed for combustion and pollutant reduction are maintained.
  • An essential prerequisite for problem-free regulation of the optimal temperatures by returning cold ashes is that the fire or reactor space remains completely or at least predominantly uncooled.
  • a further development of the invention provides that the separated ash is temporarily stored and one of the Amount of ash dependent on fuel quality is stored out of the intermediate store and returned to the fluidized bed reactor.
  • the flue gas leaves the uncooled fluidized-bed chamber 2 essentially without deflection, flows inside a flue gas cooler 6 designed as a large-volume smoke-tube boiler or water-tube boiler, initially vertically upwards, and only gives a first part of its heat outside the fluidized-bed chamber 2 Cooling surfaces 8 from.
  • a flue gas cooler 6 designed as a large-volume smoke-tube boiler or water-tube boiler, initially vertically upwards, and only gives a first part of its heat outside the fluidized-bed chamber 2 Cooling surfaces 8 from.
  • a downstream pipe bend or the like serving as a flue gas deflector 12.
  • the flue gas is subsequently deflected by 180 ° and then flows vertically downwards again through a second stage of the flue gas cooler 6, whereby it emits a further part of its heat to cooling surfaces 9.
  • the flue gas leaving the flue gas cooler 6 arrives in a falling stream in a dust separator 14 which e.g. is designed as an electrical or bag filter and its flue gas contact surfaces 6 can have a coating of catalytically active material for additional separation of pollutants.
  • a dust separator 14 which e.g. is designed as an electrical or bag filter and its flue gas contact surfaces 6 can have a coating of catalytically active material for additional separation of pollutants.
  • the amount of ash removed from the conveyor system 24 is regulated in the invention as a function of the temperature in the combustion chamber 2.
  • the temperature in the combustion chamber is measured via at least one temperature sensor 26, the temperature measurement value is fed to a controller or processor 27 and with a predetermined one Setpoint compared.
  • the setpoint input is shown schematically by line 28.
  • the setpoint can be entered manually or according to a sequence program.
  • the processor output signal controls the dosing device 30 and thus the returned amount of relatively cold ash via a line 40.
  • the metering device 30 is set so that preferably 0.5 to 3 kg ash / s per MW of combustion output are returned to the combustion chamber 2.
  • the described system for controlling the ash return works in principle as follows: If the combustion chamber temperature (26) rises above the setpoint (28) for any reason, the amount of ash flow returned from the dust separation system is increased. This recycled ash, which has already been discharged from the combustion chamber at least once, is so fine that when it is supplied again to the combustion chamber, it leaves it again, whereby it can absorb heat and transport it from the combustion chamber to the cooling surfaces. As a result, the furnace temperature drops.
  • a flue gas deflector 13 is arranged in the flow direction of the flue gas between the flue gas cooler 6 and the dust separator 14 in the modified combustion system according to FIG 21 has.
  • Ash stored in the hopper 17, metered by a metering device 31 can be discharged through the line 21 into the conveyor system 24 designed as a collecting line.
  • the dust separator 14 shown in FIG. 2 has two separating funnels 16 with associated separating lines 20 which feed partial quantities of ash into the conveyor system 24 via metering devices 30a and 30b.
  • the metering devices 30a and 30b can preferably be controlled by the processor 27 via separate signal paths 40a and 40b.
  • the metering device 31 is controlled via a control line 44.
  • the volume of the total ash supply available on the cold side of the combustion circuit increases, so that greater fluctuations in the heat load can be compensated for by better metering of the ash quantities and different ash temperatures.
  • ashes of different grain sizes are available, which can be used as an additional control variable due to their different time in the combustion chamber.
  • the temperature of the ashes drawn off via the lines 20 from the separating funnels 16 is approximately 100 ° C. to 250 ° C., while the temperature of the ashes from the deflection 13 can be higher.
  • a metering device 32 is arranged, which can be controlled by the processor 27 via a line 42 with a control signal for setting the flow rate.
  • the flue gas after leaving the fluidized bed reactor 1 and before entering the cooler 7, a deflection 13 ', which is equipped with a separating funnel 18 and an ash return line 22.
  • the flue gas gives off a first part of its heat to cooling surfaces 10 in the initially falling stream.
  • a flue gas deflector 13 ' At the lower end of the flue gas cooler 7, a flue gas deflector 13 'is arranged, in which the flue gas is deflected by approximately 180 °, so that it subsequently releases a further part of its sensible heat to cooling surfaces 11 of the flue gas cooler 7 in the now increasing gas flow, whereupon it follows further deflection, flows through a dust separator 14 corresponding to FIG. 2.
  • a further separating funnel 19 with ash return line 23, metering device 33 and control line 43 is assigned to the flue gas deflection 13 ⁇ .

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Verbrennen von festen Brennstoffen in einem Wirbelschichtreaktor (1) mit zirkulierender Wirbelschicht, wobei der Verbrennungsablauf durch Zuführung von Luft in mehreren Stufen und in verschiedenen Höhen des Wirbelschichtreaktors beeinflußt wird und wobei aus dem Wirbelschichtreaktor ausgetragene Asche abgeschieden und in den Wirbelschichtreaktor zurückgeführt wird, werden optimale Verbrennungsbedingungen über einen großen Lastbereich, insbesondere für Leistungen unterhalb 50 MWth auf einfache Weise dadurch erreicht, daß abgeschiedene Asche bei einer Temperatur im Bereich zwischen 20 und 250°C in den Wirbelschichtreaktor zurückgeführt und dabei die Menge des zurückgeführten Aschestroms in Abhängigkeit von der Feuerraumtemperatur geregelt wird. Hierzu dienen bevorzugt ein ungekühlter Brennraum (2), ein vertikal durchströmter, Kühlflächen (8, 9, 10, 11) aufweisender, das Rauchgas mindestens einmal umlenkender Rauchgaskühler (6; 7) und ein filternder Staubabscheider (14), die hintereinander angeordnet sind, und eine von dem Staubabscheider (14) zum Reaktorraum (2) führende Ascherückführleitung (24).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von festen Brennstoffen in einem Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender Wirbelschicht, wobei der Verbrennungsablauf durch Zuführen von sauerstoffhaltigem Gas, insbesondere von Luft, in wenigstens zwei Stufen und in unterschiedlichen Höhen des Wirbelschicht­reaktors beeinflußt wird, Verbrennungswärme über Kühlflächen abgeführt wird, Verbrennungsprodukte, enthaltend Asche und Abgas, aus dem Wirbelschichtreaktor ausgetragen, Asche aus den Verbrennungsprodukten abgeschieden und nachfolgend in den Wirbelschichtreaktor wenigstens teilweise zurückgeführt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchfüh­rung dieses Verfahrens.
  • Zur Zeit gibt es zwei grundlegende Verfahren zum Verbrennen kohlenstoffhaltiger Materialien in der Schwebe unter Abführen von Verbrennungswärme durch Kühlflächen: (1) Die Wirbel­schichtfeuerung mit "stationärer" Wirbelschicht, bei der eine vergleichsweise dichte, das Wirbelbett bildende "Schicht" durch einen deutlichen Dichtesprung vom darüberliegenden, praktisch feststofffreien Gasraum getrennt ist, und (2) das Arbeiten mit einer "zirkulierenden" Wirbelschicht, bei dem der aus dem Wirbelschichtreaktor ausgetragene Feststoff in einem Abscheider vom Rauchgas getrennt und vollständig über eine Rückführleitung in den Wirbelschichtreaktor zurückgeführt wird, während überschüssiger Feststoff abgezogen wird. Mit der stationären Wirbelschicht sind in den meisten Fällen die heu­tigen Auflagen zur Reinhaltung der Luft nicht mehr einhaltbar. Bekannte, hinsichtlich der Reinhaltung der Luft an sich gün­stigere Verfahren mit zirkulierenden Wirbelschichten können bei wirtschaftlich vertretbarem Aufwand nur im Leistungsbe­reich oberhalb von etwa 50 MWth eingesetzt werden.
  • Aus dem Deutschen Patent 25 39 546 ist ein Verfahren zum Ver­brennen fester Brennstoffe in einer zirkulierenden Wirbel­schicht bekannt, bei dem die Anpassung an den jeweiligen Lei­stungsbedarf dadurch erfolgt, daß die Kühlflächen zumindest im Reaktorraum und gegebenenfalls auch in einem nachgeordneten Fließbettkühler angeordnet sind. Zwecks Beeinflussung des Wärmeüberganges wird an die Kühlflächen oberhalb einer Sekun­därgaszuführung eine mittlere Suspensionsdichte von 15-100 kg/m³ durch Einstellen der Fluidisierungs- und Sekundärgas­menge geschaffen und die Verbrennungswärme überwiegend mittels der oberhalb des Sekundärgaszuführung innerhalb des freien Reaktorraumes befindlichen Kühlflächen abgeführt. Durch diese Verfahrensweise sollen (a) eine für zirkulierende Wir­belschichten charakteristische Temperaturkonstanz im gesamten Zirkulationssystem, (b) eine gleichmäßige Verbrennung bei geringer Stickoxidentwicklung und (c) eine rasche und gute Verteilung des eingetragenen kohlenstoffhaltigen Materials erreicht werden. Die Anpassung an schwankenden Leistungsbedarf geschieht durch Regelung der Verbrennungsleistung über die Suspensionsdichte im oberen Reaktorabschnitt, und zwar durch Änderung der Fluidisierungs- und Sekundärgasmengen.
  • Eine großtechnische Anwendung der zirkulierenden Wirbelschicht als Mittel zur Verbrennung fester Brennstoffe konnte für den Leistungsbereich unterhalb von etwa 50 MWth bisher nicht realisiert werden, da der erforderliche Umgang mit heißer, zu rezirkulierender Asche zu aufwendig erschien, eine für Klein­anlagen verhältnismäßig aufwendige Feuerraumkühlung notwendig ist und bewährte einfache Heizflächensysteme, wie Großwasser­raum- oder Steilrohr-Kessel o.ä. nicht eingesetzt werden konn­ten; schließlich waren auch der regelungstechnische Aufwand und die Anforderungen an das Betriebspersonal relativ hoch.
  • Davon ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art und eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens zu schaffen, denen die vorer­wähnten Nachteile nicht anhaften und mit denen sich optimale Verbrennungsbedingungen in einem erweiterten Leistungsbereich, insbesondere unterhalb von etwa 50 MWth mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand einstellen lassen.
  • Verfahrensmäßig wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens eine Teilmenge der abgeschiedenen Asche bei einer Temperatur im Bereich zwischen 20 und 250°C in den Wirbelschichtreaktor zurückgeführt, die Temperatur im Wirbel­schichtreaktor an wenigstens einer Stelle gemessen und die wenigstens eine rückgeführte Asche-Teilmenge in Abhängigkeit von der im Wirbelschichtreaktor gemessenen Temperatur geregelt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens ist im Anspruch 11 definiert.
  • Durch die Erfindung entfallen die bei bekannten Verfahren notwendigen Heißgaszyklone und Feuerraumberohrungen, und es werden einerseits die zur Kühlung der Asche speziell einge­setzten Fließbettkühler überflüssig, und andererseits können selbst im niedrigen Leistungsbereich unterhalb von 50 MWth bewährte und billige Großwasserraumkessel eingesetzt werden. Ein Großwasserraum-Rauchrohrkessel oder ein Wasserrohrkessel kann dem eigentlichen Wirbelschichtreaktor unmittelbar nachge­schaltet, beispielsweise direkt aufgesetzt werden.
  • Der überwiegende Teil der zurückgeführten Asche wird aus einem den Kühlflächen nachgeschalteten, also im kalten Teil der Anlage angeordneten Staubabscheidesystem gewonnen. Die aus den Staubabscheidern gewonnene und rückgeführte Aschemenge läßt sich problemlos so regeln, daß die für die Verbrennung und Schadstoffreduzierung optimalen Temperaturen im Wirbelbett aufrechterhalten werden. Eine wesentliche Voraussetzung für eine problemlose Regelung der optimalen Temperaturen durch Rückführung kalter Asche liegt darin, daß der Feuer- bzw. Reaktorraum ganz oder zumindest überwiegend ungekühlt bleibt.
  • Um die optimalen Verbrennungsbedingungen über einen großen Lastbereich insbesondere unterhalb von 50 Mwth und bei Ein­satz fester Brennstoffe in einem breiten Qualitätsbereich, einschließlich Ballastfeinkohle und Abfallbrennstoffen, leich­ter einstellen zu können, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die abgeschiedene Asche zwischengespeichert und eine von der Brennstoffbeschaffenheit abhängige Aschemenge aus dem Zwischenspeicher ausgespeichert und in den Wirbel­schichtreaktor zurückgeführt wird.
  • Der aus dem Staubabscheidesystem zurückgeführte Teil der Asche hat bei Austritt aus dem Staubabscheidesystem eine Temperatur von weniger als 250°C. Der restliche Teil der zurückgeführten Asche kann sich auf höherer Temperatur, im Extremfall sogar auf Wirbelbettemperatur befinden, wenn er durch Umlenkung in einem heißen Teil des Kreislaufs anfällt. Durch mehrfache Umlenkungen und Abscheiden im kalten Teil des Systems steht Asche mit unterschiedlichen Temperaturen bzw. aus als Zwi­schenspeicher dienenden Vorratsbehältern zur Verfügung. Die Mengenanteile und Temperaturen der rückgeführten Asche können daher vorzugsweise im Rahmen einer automatischen Mengenrege­lung derart ausgewählt werden, daß die für die Verbrennung und Schadstoffminimierung optimalen Verbrennungstemperaturen ein­gehalten werden.
  • Die Rückführung der abgeschiedenen Asche zur Feuerung kann über eine offene oder eine geschlossene Rückführleitung, so u.a. auch pneumatisch oder mittels eines mechanischen Förde­rers erfolgen.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehöri­gen Zeichnung, in der drei bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Verbrennungsanlage dargestellt sind.
    • Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Verbren­nungsanlage nach der Erfindung.
    • Fig. 1A ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1 durch den Reaktorraum mit Darstellung der Sekundärgaszuführung.
    • Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Verbren­nungsanlage ähnlich der jenigen gemäß Fig. 1 mit zusätzlichen Staubabscheidestufen.
    • Fig. 3 zeigt eine modifizierte Verbrennungsanlage nach der Erfindung in schematischer Darstellung.
  • In Fig. 1 bis 3 sind alle gleichwirkenden Bauteile mit densel­ben Bezugsziffern versehen. In allen Ausführungsbeispielen ist ein mit keramischem Material, insbesondere durch Ausmauern ausgekleideter Wirbelschichtreaktor vorgesehen. Der Reaktor- ­oder Feuerraum 2 ist völlig frei von Kühlflächen und weist einen Anströmboden 3 für Wirbelgas und mindestens eine ober­halb des Anströmbodens 3 in den Feuerraum 2 mündende Sekundär­gasleitung 4 sowie eine Feststoffaufgabevorrichung 5 auf. Durch etwa tangentiale Sekundärgaseinführung in Richtung der Pfeile 4a in Fig. 1A in die Wirbelschicht wird ein Drall er­zeugt, der die Gas-Feststoff-Suspensionen in eine die Mischung fördernde Drehbewegung versetzt.
  • Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und 2 verläßt das Rauchgas die ungekühlte Wirbelschichtkammer 2 im wesentlichen ohne Umlenkung, strömt innerhalb eines als Großwasserraum­-Rauchrohrkessel oder Wasserrohrkessel ausgebildeten Rauchgas­kühlers 6 zunächst senkrecht nach oben und gibt erst außerhalb der Wirbelschichtkammer 2 einen ersten Teil seiner Wärme an Kühlflächen 8 ab. Mittels eines nachgeordneten, als Rauchgas­umlenker 12 dienenden Rohrbogens o.dgl. wird das Rauchgas nachfolgend um 180° umgelenkt und strömt dann durch eine zwei­te Stufe des Rauchgaskühlers 6 wieder senkrecht nach unten, wobei es einen weiteren Teil seiner Wärme an Kühlflächen 9 abgibt.
  • Bei der in Fig. 1 dargestellten einfachsten Ausführungsform der Verbrennungsanlage gelangt das den Rauchgaskühler 6 ver­lassende Rauchgas in fallendem Strom in einen Staubabscheider 14, der z.B. als Elektro- oder Schlauch-Filter ausgebildet ist und dessen Rauchgasberührungsflächen 6 zur zusätzlichen Ab­scheidung von Schadstoffen eine Beschichtung aus katalytisch wirkendem Material aufweisen können.
  • Das so gereinigte Rauchgas verläßt den Staubabscheider 14 über eine Rauchgasleitung 15, von der es unmittelbar in den Kamin gelangt. Der in dem Staubabscheider 14 insgesamt abgeschiede­ne, überwiegend aus Asche bestehende Feststoff sammelt sich in mindestens einem Abscheidetrichter 16, der vorzugsweise als Aschevorratsbehälter oder Zwischenspeicher ausgebildet ist. Die im Abscheidetrichter 16 zwischengespeicherte Asche hat durch Kühlung im Kühler 6 eine für den Eintrag in den Reaktor­raum geeignete Temperatur im Bereich unterhalb von 250°C er­reicht. Sie wird durch mindestens eine an den Abscheidetrich­ter 16 unten ansetzende Ascheabscheideleitung 20 und eine Dosiervorrichtung 30 einem mit der Feststoffaufgabevorichtung 5 verbundenen Fördersystem 24 aufgegeben, an dem auch ein Austrag 25 für Überschußasche vorgesehen ist. Der Rück­führleitung 24 können auch alle anderen der Feuerung zuzufüh­renden Materialien, nämlich die Brennstoffe und ggfs. Additive zur Schadstoffminderung, z.B. Kalk, aufgegeben werden. Diese Stoffe bilden gemeinsam innerhalb des Feuerraumes 2 des Wir­belschichtreaktors ein sogenanntes ausgedehntes Bett.
  • Die dem Fördersystem 24 aufgegebene Menge an abgeschiedener Asche wird bei der Erfindung geregelt in Abhängigkeit von der Temperatur im Feuerraum 2. Zu diesem Zweck wird die Temperatur im Feuerraum über wenigstens einen Temperaturfühler 26 gemes­sen, der Temperaturmeßwert einem Regler oder Prozessor 27 zugeführt und mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Die Sollwerteingabe ist schematisch durch die Leitung 28 darge­stellt. Der Sollwert kann von Hand oder nach einem Ablaufpro­gramm automatisch eingegeben werden. Das Prozessorausgangssi­gnal steuert über eine Leitung 40 die Dosiervorrichtung 30 und damit die rückgeführte Menge an relativ kalter Asche. Je nach Heizwert, Wärmebelastung der Verbrennungsanlage und Temperatur der rückgeführten Asche wird die Dosiervorrichtung 30 so ein­gestellt, daß vorzugsweise 0,5 bis 3 kg Asche/s pro MW Feue­rungsleistung in den Feuerraum 2 rückgeführt werden.
  • Das beschriebene System zur Regelung der Ascherückführung arbeitet prinzipiell wie folgt: Steigt die Feuerraumtemperatur (26) aus irgendwelchen Gründen über den Sollwert (28), so wird die Menge des aus dem Staubabscheidesystem rückgeführten Aschestromes gesteigert. Diese rückgeführte Asche, die schon mindestens einmal aus dem Feuerraum ausgetragen wurde, ist so fein, daß sie bei erneuter Zufuhr zum Feuerraum denselben wieder verläßt, wobei sie Wärme aufnehmen und aus dem Feuer­raum zu den Kühlflächen transportieren kann. Als Folge davon sinkt die Feuerraumtemperatur.
  • Soll die Feuerraumtemperatur erhöht werden, dann wird die rückgeführte Aschemenge entsprechend gedrosselt. Eine Schwan­kung der Feuerraumtemperatur im Bereich von 850 ± 70°C er­scheint für das Verfahren unbedenklich. Dies entspricht einer Schwankung in der rückgeführten Aschemenge von ± 10 %, die von der Regelung nicht ausgeglichen werden muß.
  • Im Unterschied zur Fig. 1 ist bei der abgewandelten Verbren­nungsanlage gemäß Fig. 2 in Strömungsrichtung des Rauchgases zwischen dem Rauchgaskühler 6 und dem Staubabscheider 14 eine Rauchgasumlenkung 13 angeordnet, die den fallenden Rauchgas­strom nach oben umlenkt und in ihrem unteren Bereich einen Abscheidetrichter 17 mit nachgeordneter Ascheabscheideleitung 21 aufweist. Durch die Leitung 21 kann im Trichter 17 gespei­cherte Asche, dosiert durch eine Dosiervorrichtung 31, in das als Sammelleitung ausgebildete Fördersystem 24 abgegeben wer­den. Der in Fig. 2 gezeigte Staubabscheider 14 hat zwei Ab­scheidetrichter 16 mit zugehörigen Abscheideleitungen 20, die über Dosiervorrichtungen 30a und 30b Ascheteilmengen in das Fördersystem 24 leiten. Die Dosiervorrichtungen 30a und 30b sind vom Prozessor 27 vorzugsweise über getrennte Signalwege 40a und 40b steuerbar. Die Dosiervorrichtung 31 wird über eine Steuerleitung 44 gesteuert. Mit den zusätzlichen Abscheide­trichtern erhöht sich das Volumen des ingesamt verfügbaren Aschevorrats auf der kalten Seite des Verbrennungskreislaufs, so daß stärkere Schwankungen der Wärmebelastung durch bessere Dosierung der Aschemengen und unterschiedliche Aschetemperatu­ren kompensiert werden können. Außerdem steht so Asche unter­schiedlicher Körnung zur Verfügung, die, bedingt durch ihre unterschiedliche Aufenthaltszeit im Feuerraum, als zusätzliche Regelgröße herangezogen werden kann. Die Temperatur der über die Leitungen 20 aus den Abscheidetrichtern 16 abgezogenen Asche beträgt etwa 100°C bis 250°C, während die Temperatur der Asche aus der Umlenkung 13 höher liegen kann.
  • In der Ascherückführleitung 22 für ungekühlte, also heiße Asche ist ebenso wie in den anderen Rückführleitungen eine Dosiervorrichtung 32 angeordnet, die vom Prozessor 27 über eine Leitung 42 mit einem Steuersignal zur Einstellung des Mengenstroms steuerbar ist.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 passiert das Rauchgas nach Verlassen des Wirbelschichtreaktors 1 und vor Eintritt in den Kühler 7, eine Umlenkung 13′, die mit einem Abscheide­trichter 18 und einer Ascherückführleitung 22 ausgestattet ist. Im Rauchgaskühler 7 gibt das Rauchgas im zunächst fallen­den Strom einen ersten Teil seiner Wärme an Kühlflächen 10 ab. Am unteren Ende des Rauchgaskühlers 7 ist eine Rauchgasumlen­kung 13˝ angeordnet, in der das Rauchgas um etwa 180° umge­lenkt wird, so daß es nachfolgend im nunmehr steigenden Gas­strom einen weiteren Teil seiner fühlbaren Wärme an Kühlflä­chen 11 des Rauchgaskühlers 7 abgibt, worauf es, nach weiterer Umlenkung, einen der Fig. 2 entsprechenden Staubabscheider 14 durchströmt.
  • Der Rauchgasumlenkung 13˝ ist ein weiterer Abscheidetrichter 19 mit Ascherückführleitung 23, Dosiervorrichtung 33 und Steu­erleitung 43 zugeordnet.
  • Die Ascheabscheideleitungen 20, 22 und 23 münden in das (Rück) Fördersystem 24, wobei die Temperatur der Asche in den Ab­scheideleitungen 20 (kalte Seite) etwa 100°C bis 250°C, in der Ascheabscheideleitung 23 etwa 400°C bis 600°C und in der Ascheabscheideleitung 22 etwa 700°C bis 850°C beträgt. Der Prozessor 27 ist so programmiert, daß er die Dosiervorrichtun­gen 30-33 für dosierten Ascheabzug durch die einzelnen Asche­abscheideleitungen zur Aufrechterhaltung der Feuerraumtempera­tur in einen gewünschten Solltemperaturbereich steuert.
  • In allen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Temperatur in der Wirbelschicht auf etwa 850°C ± 70°C gehal­ten. Vorzugsweise kalte Asche (im Temperaturbereich zwischen 20 und 250°C) wird durch Rückführung aus stets vorhandenen Staubabscheidern 14 und Umlenkern, z.B. 17, in einer der Feu­ erungsleistung entsprechenden Menge zurückgeführt. Die Feuer- ­bzw. Reaktorkammer 2 ist stets ungekühlt, d.h. ohne Wärme­tauscheinbauten.

Claims (17)

1. Verfahren zum Verbrennen von festen Brennstoffen in einem Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender Wirbelschicht, wobei der Verbrennungsablauf durch Zuführen von sauerstoffhaltigem Gas, insbesondere von Luft, in wenigstens zwei Stufen und in unterschiedlichen Höhen des Wirbelschichtreaktors beeinflußt wird, Verbrennungswärme über Kühlflächen abgeführt wird, Ver­brennungsprodukte, enthaltend Asche und Abgas, aus dem Wirbel­schichtreaktor ausgetragen, Asche aus den Verbrennungsproduk­ten abgeschieden und nachfolgend in den Wirbelschichtreaktor wenigstens teilweise zurückgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens eine Teilmenge der abgeschiedenen Asche bei einer Temperatur im Bereich zwischen 20 und 250°C in den Wir­belschichtreaktor zurückgeführt, die Temperatur im Wirbel­schichtreaktor an wenigstens einer Stelle gemessen und die wenigstens eine rückgeführte Asche-Teilmenge in Abhängigkeit von der im Wirbelschichtreaktor gemessenen Temperatur geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Wirbelschichtreaktor erzeugte Wärme erst außerhalb des Feuerraums in einem nachgeschalteten Kühlsystem aus den Asche enthaltenden Verbrennungsprodukten abgezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Teilmenge der in den Verbrennungsprodukten abgeführten Asche nach einem ersten Kühlschritt durch wenig­stens ein nachgeschaltetes Staubabscheidesystem abgeschieden wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­kennzeichnet, daß die abgeschiedene Asche in wenigstens einem Zwischenspeicher zwischengespeichert wird und daß wenigstens eine Teilmenge dem Zwischenspeicher dosiert entnommen und in den Wirbelschichtreaktor zurückgeführt wird, um die Feuerraum­temperatur bei unterschiedlichen Belastungen regeln zu kön­nen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­kennzeichnet, daß die in den Wirbelschichtreaktor zurückzufüh­rende Teilmenge der Asche mit anderen festen Eintragsstoffen, insbesondere wenigstens einer weiteren Asche-Teilmenge, festen Brennstoffen, Additiven zur Schadstoffminderung und/oder Mi­schungen aus den vorgenannten Stoffen, gemischt und danach über einen gemeinsamen Eintrag in den Wirbelschichtreaktor eingeleitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­kennzeichnet, daß die ausgetragene Asche enthaltenden Verbren­nungsprodukte entlang eines Strömungsweges im Kühlsystem we­nigstens einmal umgelenkt werden und daß nach der Umlenkung wenigstens eine Asche-Teilmenge aus den Verbrennungsprodukten abgeschieden wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­kennzeichnet, daß mehrere Asche-Teilmengen mit unterschiedli­chen Aschetemperaturen in den Wirbelschichtreaktor eingeführt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­kennzeichnet, daß die wenigstens eine rückgeführte Teilmenge der Asche in Abhängigkeit von der Feuerraumtemperatur derart geregelt wird, daß die Feuerraumtemperatur in einem für die Verbrennungsbedingungen der Brennstoffe günstigen Temperatur­bereich gehalten wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­kennzeichnet, daß wenigstens ein Meßwert der Feuerraumtempera­ tur in Prozessormittel eingegeben und ein Sollbereich der Feuerraumtemperatur in den Prozessormitteln vorgegeben wird, daß der wenigstens eine Meßwert mit dem vorgegebenen Sollbe­reich verglichen wird und daß wenigstens ein Steuersignal zur Änderung des Mengenstroms der wenigstens einen, in den Feuer­raum zurückgeführten Asche-Teilmenge entwickelt wird, wenn die gemessene Feuerraumtemperatur außerhalb des vorgegebenen Soll­bereichs liegt, um die Feuerraumtemperatur auf den Sollbereich zurückzustellen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollbereich der Feuerraumtemperatur zwischen etwa 780 und 980°C liegt.
11. Vorrichtung zum Verbrennen von festen Brennstoffen in einem Wirbelschichtreaktor (1) mit zirkulierender Wirbel­schicht, enthaltend einen Reaktorraum (2) mit bodenseitigen Mitteln (3) zur Zuführung von Wirbelgas für die Erzeugung der Wirbelschicht, Mittel (5) zum Zuführen von festen Brennstoffen und der zirkulierenden Wirbelschicht in den Reaktorraum, Mit­tel zum Austragen von Verbrennungsprodukten aus dem Reaktor­raum entlang eines vorgegebenen Strömungsweges, wobei der Strömungsweg wenigstens eine Umlenkung enthält, Kühlflächen (8, 9; 10, 11) zum Abführen von Verbrennungswärme aus den Verbrennungsprodukten, Abscheidemittel (14) zum Abscheiden von Asche aus den Verbrennungsprodukten und Ascherückführmittel (20, 24), die mit dem Reaktorraum verbunden sind, zum Rückfüh­ren von Asche in den Reaktorraum,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein ungekühlter Reaktorraum (2), wenigstens ein vorzugs­weise vertikal durchströmter, mit Kühlflächen (8, 9; 10, 11) versehener Rauchgaskühler (6; 7) und wenigstens ein filternder Staubabscheider (14) in Strömungsrichtung der Verbrennungspro­dukte hintereinander angeordnet sind, daß dem Staubabscheider (14) wenigstens ein Speicher (16, 19) zur Zwischenspeicherung der abgeschiedenen Asche zugeordnet ist, daß Mengenstrom-Do­siermittel (30a, 30b, 33) zum Dosieren von dem wenigstens einen Speicher (16, 19) entnommener Asche mit einer Ascherück­führleitung (20, 21, 22, 23) verbunden sind, daß wenigstens eine Temperaturmeßeinrichtung (26) zur Messung der Wirbel­schichttemperatur an wenigstens einer Stelle des Reaktorraums (2) und Steuermittel (27, 40a, 40b, 41; 42, 43) zum Regeln der in den Feuerraum rückgeführten Menge der Asche in Abhängigkeit von der gemessenen Feuerraumtemperatur vorgesehen sind, wobei die Steuermittel mit der Meßeinrichtung (26) und den Mengen­strom-Dosiermitteln gekoppelt sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorraum (2) mit keramischem Material ausgekleidet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Rauchgaskühler (6; 7) als Großwasserraum­-Rauchrohrkessel oder als Wasserrohr-Kessel ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß an den ungekühlten Reaktorraum (2) ein vertikal durchströmter Rauchgaskühler (6) angeschlossen ist, der wenigstens einen U-förmigen Rauchgasumlenker hat.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Reaktorraum (2) und dem Staubabscheider (14) mindestens eine Umlenkung (13; 13′; 13˝) angeordnet ist und daß aus den vorhandenen Umlenkungen weitere Asche höherer Temperatur abgezweigt und in den Reaktorraum (2) über Asche­leitungen (21, 22, 23) zurückgeführt wird.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauchgasumlenker (13′) einen unteren Abschnitt (18) aufweist, von dem eine als Rückführleitung dienende Ascheabscheideleitung (22) für heiße Asche abzweigt.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Staubabscheider (14) eine Beschichtung aus katalytisch wirkendem Material aufweist.
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