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Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von asche- und/oder schwefelhaltigen
Brennstoffen, insbesondere in Dampferzeugern oder Gasturbinenanlagen Bei der vollständigen
Verbrennung von asche- und/ oder schwefelhaltigen festen oder flüssigen Brennstoffen
in Dampferzeugern oder Gasturbinenanlagen wird in den Abgaswegen und in den die
Schlacke abführenden Räumen besonders starke Korrosion festgestellt. Diese Korrosionserscheinungen
stellen sich bei der Verbrennung von schweren Heizölen besonders schnell und umfangreich
ein. Man unterscheidet zwischen einer insbesondere auf Vanadium- und Natriumanteile
der Asche zurückzuführenden Hochtemperaturkorrosion und einer durch den Schwefelgehalt
der Asche hervorgerufenen Niedertemperaturkorrosion, bei der der Schwefelgehalt
zum Teil Schwefelsäure bildet. Nach den genannten Korrosionserscheinungen tritt
in derUmgebung vonDampferzeuger- und Gasturbinenanlagen, in denen asche-und/oder
schwefelhaltige Brennstoffe verbrannt werden, noch eine Belästigung der Umgebung
durch Schwefelverbindungen in den Abgasen auf.
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Die Erfindung bezweckt, die den störungsfreien Betrieb einer Dampferzeuger-
oder Gasturbinenanlage beeinträchtigenden schädlichen Bestandteile der Brennstoffe
an der günstigsten Stelle unwirksam zu machen und mit Bezug auf den Ablauf der Verbrennung
rechtzeitig auszuscheiden.
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Es ist bereits bekannt, den Verbrennungsgasen im Feuerraum verschiedene
Zusätze, z. B. Dolomit, beizugeben, um die Ölasche unschädlich zu machen. Es ist
auch bereits vorgeschlagen worden, dem Rauchgas bei niedriger Temperatur verschiedene
feste und gasförmige Stoffe zuzusetzen, um die Schwefelsäure zu binden. Ferner ist
es bekannt, die Rauchgase hinter dem Dampferzeuger einer Naßwäsche zu unterziehen,
um die Belästigung der Umgebung zu verhindern. Andererseits hat man bereits versucht,
die Asche und den Schwefel vor der Verbrennung aus dem Brennstoff zu entfernen.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Verfahren entweder zu teuer oder nur von unzureichender
Wirkung sind.
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Um für verschiedene Kesseltypen die jeweils günstigste Flammenführung
und einen guten Ausbrand zu erzielen, ist es auch bekannt, die gesamte für die vollständige
Verbrennung notwendige Luftmenge in mehreren Verbrennungsstufen als Primär-, Sekundär-und
Tertiärluft zuzuführen. Diese bekannte Maßnahme hat jedoch keinen Einfluß auf das
Auftreten von Hochtemperatur- und Niedertemperaturkorrosion bei der Benutzung asche-
und/oder schwefelhaltiger Brennstoffe. Die an sich bekannte mehrstufige Verbrennung
wird nach der Erfindung in Verbindung mit der Beigabe von Stoffen an der günstigsten
Stelle zur rechtzeitigen Beseitigung der Korrosionsgefahr in den Gaswegen und den
die Schlacke abführenden Räumen der Dampferzeuger- oder Gasturbinenanlage benutzt.
Dabei ist eine strenge räumliche Trennung der einzelnen Verbrennungsstufen vorgesehen,
gegebenenfalls unter Zugabe von Wasserdampf. Die Erfindung besteht darin, daß die
zuzusetzenden Stoffe während oder nach der teilweisen Verbrennung bei erheblichem
Luftmangel in den Verbrennungsraum eingeführt und vor der vollständigen Verbrennung
mit den angelagerten störenden Bestandteilen der Brennstoffe in noch stark reduzierend
wirkender Atmosphäre wieder ausgetragen werden.
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Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß sich in der reduzierenden Atmosphäre
keine höheren Oxyde der schädlichen Bestandteile z. B. Vanadiumpentoxyd (V:# 05)
oder Schwefelsäureanhydrid (S 03) bilden. Diese höheren Oxyde bewirken erst die
Korrosion. Es wird also auch in diesem Teil, wo die schädlichen Bestandteile an
sich noch in der Anlage sind, die Korrosion wirksam verhindert. Ferner ist die Gasmenge
nach der teilweisen Verbrennung wesentlich geringer, z. B. nur ein Drittel der Gasmenge,
die nach der vollständigen Verbrennung entsteht. Die Behandlung der kleineren Gasmenge
mit zuzusetzenden Stoffen und die anschließende Abscheidung sind wesentlich wirksamer
und erfordern einen bedeutend geringeren technischen Aufwand. Werden die schädlichen
Be-
Standteile und die Zusatzstoffe erst nach der vollständigen
Verbrennung abgeschieden, so bilden sich die gefährlichen höheren Oxyde der schädlichen
Bestandteile. Nur durch chemisch neutralisierende Zusatzstoffe kann die Korrosion
verhindert werden. Es ist also eine jedem Brennstofftyp genau angemessene Möllerung
vorzusehen. Demgegenüber erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren, die schädlichen
Bestandteile der Brennstoffe an die zuzusetzenden Stoffe sowohl durch chemische
als auch physikalische Bindung anzulagern, z. B. durch Sintern oder durch Bildung
eines Flüssigkeitsfilmes um die zugesetzten Feststoffteilchen.
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Die letztgenannte Art der Anlagerung der schädlichen Bestandteile
der Brennstoffe an die zugesetzten Stoffe ist besonders wirksam. Es ist daher nach
der Erfindung vorgesehen, die Zusätze bei noch unvollständiger Verbrennung in einen
Verbrennungsraum bei Temperaturen einzutragen, die zum Schmelzfluß der Asche und/oder
der Zusätze führen. Sind diese beiden Bestandteile flüssig, so ist es vorteilhaft,
die Zusätze zusammen mit den angelagerten störenden Bestandteilen des Brennstoffes
schmelzflüssig aus dem Verbrennungsraum auszutragen. Bei geeigneten Zusätzen werden
hierbei auch die schwefelhaltigen schädlichen Bestandteile der Brennstoffe gelöst.
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Zur Ausführung des Verfahrens sind als Zusatzstoffe insbesondere Flugasche
einer Kohlenstaubfeuerung, Quarzsand und Dolomit geeignet. Die Körnung der Zusatzstoffe
ist so fein zu wählen, daß zur Anlagerung der aus dem Verbrennungsraum auszutragenden
schädlichen Stoffe eine möglichst große Oberfläche vorhanden ist; andererseits muß
das einzelne Korn aber genügend groß sein, um durch Fliehkräfte abgeschieden zu
werden. Günstig ist insbesondere die Korngröße zwischen 15 und 50 u. Es können jedoch
bei hinreichend hohen Temperaturen auch feiner gekörnte Zusatzstoffe gewählt werden,
da diese sich oberhalb des Erweichungspunktes zusammenballen und dann in Zyklonen
abscheidbar sind. Als Brennstoff werden im wesentlichen schwere Heizöle und/oder
Kohlenstaub in einer Korngröße bis 500 u angewendet.
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Die durch die teilweise Verbrennung entstandenen Gase können nach
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens auch zunächst gekühlt werden, indem
sie ihre Wärme vor der nachfolgenden vollständigen Verbrennung an Rohrbündel eines
Dampferzeugers abgeben. Dabei werden die Zusätze vor, während oder nach der Abkühlung
eingeführt und mit den angelagerten störenden Bestandteilen des Brennstoffes bei
Temperaturen unterhalb des Siedepunktes der Zusätze und unterhalb des Schmelzpunktes
der Asche vor der nachfolgenden vollständigen Verbrennung der Brennstoffe wieder
abgeschieden. Die Abscheidung der zugesetzten Stoffe mit den angelagerten schädlichen
Bestandteilen der Brennstoffe aus dem abgekühlten Gas ist für gewisse Zusatzstoffe
von Vorteil. Es ist in diesem Fall möglich, auch Zusatzstoffe zu verwenden, die
bei der durch die teilweise Verbrennung entstandenen Temperatur verdampfen würden
und somit nicht mehr abscheidefähig wären. Als Zusatzstoffe kommen hierfür neben
den obengenannten Stoffen hauptsächlich Wasser, Öl, Kalkwasser, Alkazidlauge und
Ammoniak in Betracht.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann in den obengenannten Varianten
sowohl bei atmosphärischem als auch bei höherem Druck ausgeführt werden. Eine Vorrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens besteht aus einer Brennkammer zur teilweisen
Verbrennung der Brennstoffe mit Luftmangel, die mit einer oder mehreren Düsen für
die Zuführung von Brennstoff, Brennluft und gegebenenfalls von Dampf sowie mit Zuführungs-
und/oder Mischmitteln, z. B. Düsen, für die zuzusetzenden Stoffe versehen ist, ferner
einer Abscheidekammer mit Abzugstutzen für die Zusätze und angelagerten Stoffe hinter
dieser Kammer sowie einer zweiten Brennkammer zur vollständigen Verbrennung der
Brennstoffe. Eine besonders einfache Bauweise erhält man, wenn die teilweise Verbrennung
und die Abscheidung der störenden asche- und/oder schwefelhaltigen Bestandteile
des Brennstoffes in einer gemeinsamen Kammer durchgeführt wird, die gegebenenfalls
Unterteilungen oder Einschnürungen besitzt.
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Bei der Anlagerung der schädlichen Bestandteile des Brennstoffes an
die zugesetzten Stoffe oberhalb des Schmelzpunktes ist die der teilweisen Verbrennung
der Brennstoffe dienende Brennkammer als Schmelzkammer auszuführen. Die Zusatzstoffe
werden entweder tangential oder axial in diese Kammer eingeblasen, und zwar so,
daß das durch die teilweise Verbrennung erzeugte Gas-Dampf-Gemisch mit dem Zusatzstoff
bei einer intensiven Mischbewegung in Berührung kommt. Sehr feinkörnige Zusatzstoffe
kann man auch unmittelbar mit dem Brennstoff in einem Rührwerksbehälter mischen
und diese Mischung in der üblichen Weise in die Brennkammer eintragen.
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Bei der Ausführung des Verfahrens in Verbindung mit der Erzeugung
von Dampf in einer Dampfkesselanlage besteht der Dampferzeuger aus zwei Teilen.
In dem ersten Teil findet die teilweise Verbrennung der Brennstoffe statt, während
nach Abscheidung der Asche und/oder der Schwefelverbindungen durch feste oder flüssige
Zusatzstoffe die vollständige Verbrennung der Brennstoffe in dem zweiten Teil des
Dampferzeugers durchgeführt wird. Diese Anordnung gestattet die Abscheidung flüssiger
Zusatzstoffe, die bei höheren Temperaturen verdampfen würden. In dem ersten Kesselteil
wird die Temperatur des durch teilweise Verbrennung gewonnenen Gases so weit herabgesetzt,
daß die Verdampfung des flüssigen Zusatzstoffes weitgehend vermieden wird. Als Zusatzstoff
zur Abscheidung der Asche mit Bestandteilen von Vanadium und Natrium ist bei dieser
Ausführungsform besonders Wasser und Öl geeignet. Die Schwefelverbindungen liegen
in dieser reduzierenden Verbrennungsstufe größtenteils als Schwefelwasserstoff vor.
Somit sind zu deren Bindung bzw. Anlagerung besonders Alkazidlauge, Kalkwasser und
Ammoniak als Zusatzstoffe geeignet.
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Das im ersten Kesselteil entstehende Gas enthält zwar noch Asche mit
den die Hochtemperaturkorrosion verursachenden schädlichen Bestandteilen des Brennstoffes
sowie Schwefelverbindungen; Korrosionen sind jedoch in dieser Verfahrensstufe nicht
zu befürchten, da sich in der reduzierenden Atmosphäre die gefährlichen höheren
Oxyde, wie V" 0 5 und S 031
nicht bilden können. Die Hochtemperaturkorrosion
in einer solchen Kesselanlage läßt sich völlig ausschalten, wenn der überhitzer
des Dampfkessels in den zweiten Kesselteil eingebaut wird, in dem die von den schädlichen
Bestandteilen bereits befreiten Gase mit Luftüberschuß vollständig verbrannt werden.
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Bei der Ausführung des Verfahrens in Verbindung mit Gasturbinenanlagen
wird das durch die teilweise
Verbrennung entstandene Gas nach der
Entfernung der an die zugesetzten Stoffe angelagerten bzw. gebundenen ölasche und/oder
der Schwefelverbindungen nicht unmittelbar in die Brennkammer für die vollständige
Verbrennung geleitet, sondern zunächst verdichtet und dann in der Brennkammer der
Gasturbinenanlage vollständig verbrannt. Wärmewirtschaftlich noch günstiger ist
es, bereits die für die teilweise Verbrennung erforderliche Luft zu verdichten und
die Anlage bei einem Überdruck von mindestens 1 atü, zweckmäßig bei zwei und mehr
Atmosphären, zu betreiben. Die Verdichtung des durch die teilweise Verbrennung erhaltenen
Gases entfällt dann.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann auch so ausgeführt werden, daß
die mittels Zusatzstoffe abgeschiedenen störenden Anteile der Brennstoffe in wirtschaftlich
verwertbarer Form anfallen. Durch entsprechende Wahl der Zusatzstoffe können z.
B. Ammonsulfat als Düngemittel oder elementarer Schwefel gewonnen werden. Aus der
ölasche läßt sich das Vanadium gewinnen.
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Die Abb. 1, 2 und 3 zeigen schematisch Vorrichtungen zur Ausführung
des Verfahrens.
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Die Abb. 1 zeigt hintereinandergeschaltete Brennkammern für eine Kesselfeuerung.
Diese Anordnung besteht im einzelnen aus einer Brennkammer 1 zur teilweisen Verbrennung
der Brennstoffe und einer nachgeschalteten Abscheidekammer 2. Aus der Ausbrennkammer
3 gelangen die Verbrennungsgase in den Dampferzeuger 4. In die Brennkammer 1 werden
die Luft durch die Luftdüse 5 und das Heizöl durch die öldüse 6 tangential eingeführt.
Die Düse 7 dient zum Einblasen von Dampf und/oder Zusatzluft in die Brennkammer
1. Die zur Bindung bzw. Anlagerung der abzuscheidenden Anteile des Brennstoffes
erforderlichen Zusatzstoffe werden durch die Düse 8 und/oder 8 a in die Kammer 1
eingetragen. Sie durchdringen unter dem Einfiuß der Wirbel und des Dralls in der
Kammer den gesamten Gasstrom, wobei sich die Asche und die Schwefelverbindungen
anlagern. Schließlich werden die Zusatzstoffe mit den Anlagerungen durch den Drall
der Verbrennungsgase an die Wandung der Abscheidekammer 2 getragen, wo sie sich
in der Erweiterung 9 sammeln. Durch den Kanal 10, der nach einer Mantellinie der
Kammererweiterung 9 schlitzförmig ausgebildet ist, gelangen sie in den Sammeltopf
11, aus dem sie ausgeschleust werden. Die gereinigten heißen Gase werden
aus der Abscheidekammer 2 durch mehrere Kanäle 16 in die Brennkammer 3 geführt,
wo sie durch tangentiale Einführung zusätzlicher Luft durch die Düse 12 vollständig
ausgebrannt werden. Die Verbrennungsgase geben im Dampferzeuger 4 die fühlbare Wärme
an die Rohre 13 ab, in denen Dampf erzeugt wird.
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An Stelle der Eintragung der Zusatzstoffe durch die Düsen 8 bzw. 8
a ist es in besonderen Fällen auch möglich, sie unmittelbar dem Brennstoff beizugeben.
In der Anordnung nach Abb. 1 ist hierfür ein Mischbehälter 14 mit Rührwerk 15 vorgesehen,
in dem äußerst feinkörnige Zusatzstoffe unmittelbar dem Heizöl zugesetzt werden,
in dem sie bis zur Eintragung in die Kammer 1 in der Schwebe bleiben.
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Das Luftverhältnis für die teilweise Verbrennung kann zwischen A.
= 0,3 und A, = 0,7 frei gewählt werden. Es entsteht dann bei der Verbrennung von
schwerem Heizöl ein Gas von folgender durchschnittlicher Zusammensetzung: 4,8 %
C O.; , 16,6 % C O, 12,6 % H., 1,311/o C H4 und 64,7°/o N2, dessen Heizwert etwa
1000 kcal/Nm3 beträgt. Geringe Rußmengen, die sich in der Brennkammer 1 bilden,
sind weder störend noch als Verlust anzusehen, da ihre Körnung feiner als 1 #t ist
und die Rußteilchen somit in dem Gasstrom in der Schwebe bleiben. In der nachgeschalteten
Kammer 3 wird auch der Ruß vollständig verbrannt.
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Abb. 2 gibt schematisch eine als Schmelzkammer betriebene Brennkammer
zur Ausführung des Verfahrens wieder. Diese besteht im Innern in an sich bekannter
Weise aus gewickelten und bestifteten Rohren 17, die durch eine Stampfmasse 18,
z. B. Chromerz, verkleidet sind. Luft und Brennstoff werden tangential am rückwärtigen
Ende der Kammer durch die Düsen 5 bzw. 6 eingeführt. Durch die Düse 8 werden die
Zusatzstoffe in feinverteilter Form eingebracht. Sie bilden bei entsprechenderAusbildung
der Düse 8 im rückwärtigen Raum der Kammer einen schirmähnlichen Staubschleier,
den die Gase vor der weiteren Verbrennung durchdringen müssen. Dabei lagern sich
die abzuscheidenden Brennstoffbestandteile an die Zusatzstoffe an und verändern
deren Wichte und Komgröße. Die Zusatzstoffe mit den Anlagerungen werden dann alsbald
vom Drall der Medien in der Kammer erfaßt und an die Wandung geschleudert, wo sie
sich schmelzflüssig niederschlagen. Über den Schlitz 19 laufen sie in das Wasserbad
20 ab, wo sie granuliert und in bekannter Weise ausgeschleust werden. Durch die
Rohrleitung 12 mit dem Ringkanal 21 wird die zur vollständigen Verbrennung benötigte
Luft eingeblasen. Die vollständige Verbrennung wird entweder im Feuerraum eines
Dampferzeugers oder in der Brennkammer einer Gasturbine ausgeführt. Wird Kohlenstaub
als Brennstoff eingesetzt, so ist die Brennstoffdüse 6 in an sich bekannter Weise
zur Einblasung von Kohlenstaub mittels Luft ausgebildet.
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Abb. 3 zeigt eine Anlage zur Ausführung des Verfahrens, die im wesentlichen
aus einem zweiteiligen Dampferzeuger besteht. In der Brennkammer 1 mit der Luftzuführung
5 und der Brennstoffdüse 6 wird der Brennstoff teilweise verbrannt. Diese Brennkammer
1 ist zylindrisch ausgeführt. Die anschließende konische Erweiterung 22 geht vom
kreisförmigen in einen rechteckigen Querschnitt über. Das in der Brennkammer 1 entstehende
Gas-Dampf-Gemisch verweilt in der konischen Erweiterung 22 des ersten Kesselteiles
23 eine ausreichende Zeit, um zu einem stabilen Brenngas zu reagieren. Im ersten
Kesselteil geben die durch die teilweise Verbrennung erzeugten Gase ihre Wärme zu
einem erheblichen Teil an die Rohrpakete 24 und 24 a ab. In dem Rohrpaket 24 wird
Wasser verdampft und in dem Rohrpaket 24 a des ersten Kesselteils ein Teil der zur
Verbrennung notwendigen Luft vorgewärmt. An das untere Ende des ersten Kesselteils
schließt sich ein konusförmiger Abschnitt 25 an, der den rechteckigen Querschnitt
wieder in den Kreisquerschnitt überführt. Darunter ist eine Abscheidekammer 2 angeordnet.
Durch die Düse 8 werden die Zusatzstoffe in die Abscheidekammer 2 eingetragen, die
sofort in engen Kontakt mit dem Gas kommen und die Asche binden. Die beladenen Zusatzstoffe
sammeln sich im Unterteil der Abscheidekammer2 und werden über die Rohrleitung 26
mit dem Schieber 27 abgezogen. über den waagerechten Kanal 28 gelangen die
aschefreien Gase in die Abscheidekammer 2a. In diese Kammer wird Alkazidlauge über
die Düse 29 eingespritzt. Die
Alkazidlauge bindet die Schwefelverbindungen.
Über die Rohrleitung 30 mit Vorlage 31 wird die beladene Alkazidlauge abgezogen.
In einer sogenannten Claus-Anlage, die sich an dieser Stelle gegebenenfalls anschließt,
kann man der Alkazidlauge die Schwefelverbindungen entziehen und den elementaren
Schwefel gewinnen. Die beiden Abscheidekammern 2 und 2 ca sind zylindrisch ausgeführt.
Durch eine am oberen Ende der Kammer 2 a vorgesehene Düse 32 werden
die Gase in den zweiten Kesselteil 33 eingeblasen. Um die Düse 32 ist ein
ringförmiger Raum 34 angeordnet, durch den über den Ringkanal 35 und die
Rohrleitung 36 die zur vollständigen Verbrennung benötigte Luft eingeführt wird.
Der untere konische Raum 37 des Kesselteils 33 dient als Ausbrennkammer. Ihre Wandungen
sind ebenfalls mit den Rohren des Dampferzeugers ausgekleidet. Die im Ausbrennraum
entstandenen Rauchgase werden an den nachgeschalteten Heizflächen abgekühlt. Das
Rohrpaket 38 dient als Überhitzer. Im Rohrpaket 24b wird mindestens 1 Teil der durch
die Leitung 36 eingeblasenen Luft bis auf Temperaturen von etwa 550° C vorgewärmt.
Das Rohrpaket 39 bildet den Verdampfer und das Rohrpaket 40 den Speisewasservorwärmer.
Im Drehluftvorwärmer 41 mit eingelagerter Speichermasse wird das Rauchgas bis auf
die gewünschte Abgastemperatur abgekühlt. Über die Rohrleitung 42 wird dem Drehluftvorwärmer
die zu erwärmende Verbrennungsluft zugeführt und über die Rohrleitung43 die warme
Luft abgeführt. DieAbgase verlassen die Anlage über die Rohrleitung 44, ein Gebläse
und einen Kamin.
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Es ist zweckmäßig, den ersten Kesselteil 23 einschließlich
der Abscheidekammern 2 und 2a mit mindestens geringem Überdruck gegenüber der Atmosphäre
zu betreiben und mit einer äußeren Blechverkleidung zu versehen. Die Verkleidung
und der überdruck verhindern das Eindringen von Falschluft in die Anlage, die den
gewünschten Ablauf des Verfahrens stören und zu Verpuffungen führen könnten. Die
Verkleidung verhindert andererseits das Austreten C O-haltiger Gase aus den Brennkammern
durch Undichtigkeiten im Mauerwerk. Ablagerungen, die sich insbesondere an den Rohrpaketen
im ersten Kesselteil 23 bilden könnten, werden durch kurzzeitig oxydierende Arbeitsweise
abgebrannt. Um dabei den Kesselbetrieb nicht zu stören, ist es zweckmäßig, den ersten
Kesselteil 23 mit der Brennkammer 1 in mehrere parallel geschaltete Wege aufzuteilen
und um den zweiten Kesselteil 33 herum anzuordnen. Es wird dann jeweils nur ein
Weg des ersten Kesselteils zeitweise oxydierend betrieben, so daß insbesondere bei
höherer Belastung der Kesselbetrieb insgesamt nicht beeinträchtigt ist.
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Das Verfahren nach der Erfindung gestattet es, die Art und die Menge
der Zusatzstoffe so zu wählen, daß die entstehende, gegebenenfalls im Austragweg
bereits Granulierte Schlacke weiterverwertet werden kann, z. B. entweder unmittelbar
zur Herstellung von Baustoffen oder von Düngemitteln. Andere wertvolle Bestandteile
der Schlacke. wie z. B. Vanadium, lassen sich durch eine einfache chemische Aufbereitung
zur Weiterverarbeitung gewinnen.