DE3880878T2 - Verfahren und Kraftwerk für verbesserte Ausnutzung eines Schwefel-Absorbers in einem Wirbelbett. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verbesserten Ausnutzung eines Schwefel-Absorptionsmittels beim Verbrennen von Brennstoff in einem Wirbelbett gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Kraftwerksanlage zur Ausführung des genannten Verfahrens. Ein solches Verfahren und eine solche Anlage sind bekannt aus der US-A-4 312 280.
• Eine verbesserte Ausnutzung von Schwefel-Absorptionsmittel ist von grober Bedeutung, um den Verbrauch von Schwefel-Absorptionsmittel beim Verbrennen von schwefelhaltiger Kohle in einem Wirbelbett aus partikelförmigem Material zu reduzieren. Das Bettmaterial enthält Substanzen, die sich bei der Verbrennung mit Schwefel verbinden und verhindern, daß Schwefeloxide zusammen mit den Verbrennungsgasen in die Atmosphäre gelangen. Das Schwefel-Absorptionsmittel besteht normalerweise aus einer Calciumverbindung, gewöhnlich Calciumcarbonat (CaCO&sub3;) oder Dolomit (CaCO&sub3; MgCO&sub3;) oder einer Mischung aus diesen. Hydriertes Calciumsulfat ist eine stabile Verbindung, die ohne Gefahren für die Umwelt dort gelagert werden kann.
• Die Erfindung ist insbesondere für Kraftwerksanlagen gedacht, bei denen die Verbrennung bei einem beträchtlich über dem atmosphärischen Druck liegenden Druck erfolgt und in welchen die Verbrennungsgase zum Antrieb einer Gasturbine verwendet werden und Dampf zum Antrieb einer Dampfturbine erzeugt wird.
• Bei den im Bett bei der Verbrennung herrschenden Temperaturen (800-950ºC) finden eine Anzahl von chemischen Reaktionen statt. Die Absorptionsmittelpartikel werden z.T. in Calciumoxid (CaO) umgewandelt und sulfatiert, und es bildet sich eine Oberflächenschicht aus hydriertem Calciumsulfat. Allmählich entwickelt sich auf einem Absorptionsmittel-partikel eine Oberflächenschicht aus Calciumsulfat (CaSO&sub4;), während der Kern aus CaCO&sub3; und/oder CaO besteht. Die äußere Schicht aus Calciumsulfat (CaSO&sub4;) verhindert den Kontakt von Schwefel mit dem unverbrauchtem Absorptionsmittel, wodurch die Ausnutzung des Absorptionsmittel begrenzt wird. Um den Ausnutzungskoeffizienten zu verbessern, ist es bekannt, dem Bett Bettmaterial zu entziehen und die Partikel zu zerkleinern, so daß die Calciumsulfatschicht aufgebrochen wird und unverbrauchtes Bettmaterial aus dem Inneren der Partikel freigelegt wird. Das zerkleinerte Bettmaterial wird dem Bett wieder zugeführt, so daß unverbrauchtes Absorptionsmittel in den Bettpartikeln für die Absorption von Schwefel zugänglich wird.
• Die US-A-4 312 280 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Ausnutzung von Schwefel-Absorptionsmittel beim Verbrennen von Kohle in einem Wirbelbett und eine Kraftwerksanlage zur Durchführung des Verfahrens. Sulf atiertes Schwefel-Absorptionsmittel wird einer Brennkammer, in der sich ein Wirbelbett befindet, entzogen und wird einem zweiten Bettgefäß zugeführt, in welchem das sulfatisierte Absorptionsmittel durch Luft fluidisiert wird. In das Wirbelbett werden Wasser und Dampf injiziert, um die sulfatierten Partikel aus Absorptionsmittel auf zubrechen, so daß unverbrauchtes Schwefel-Absorptionsmittel freigelegt wird. Nach Beendigung der Hydrierung des Absorptionsmittels in dem zweiten Wirbelbett wird das Absorptionsmittel der Wirbelbett-Brennkarnmer wieder zugeführt. Dieses Verfahren und diese Anlage sind teuer und raumaufwendig, weil ein zweites Bettgefäß mit einer Einrichtung zur Fluidisation erforderlich ist, um das sulfatierte Absorptionsmittel mit Dampf zu behandeln. Ein anderes Verfahren zur wirtschaftlicheren Ausnutzung von schwefelabsorbierenden Zusätzen ist in der EP-A-0 119 661 erwähnt. Gemäß diesem Verfahren werden die aus Calciumoxid mit einem Überzug aus Calciumsulfat bestehenden unausgenutzten Schwefel-Absorptionsmittel-Partikel dem Abfallmaterial aus dem Wirbelbett entzogen und dann mit Wasser gelöscht, welches das Calciumoxid in Hydroxid umwandelt, während das Calciumsulfat Wasser bindet. Die Aufnahme von Wasser bewirkt ein Aufquellen der Partikel. Beim Wiedererhitzen dieser Partikel, nachdem sie wieder dem Wirbelbett zugeführt worden sind, entsteht eine neue Porenstruktur der Partikel, wodurch diese imstande sind, zusätzliche Mengen von Schwefeldioxid aufzunehmen. Die EP-A-0 119 661 beschreibt noch ein anderes Verfahren zur ef fektiveren Ausnutzung von schwefelabsorbierenden Zusätzen, welches darin besteht, die Partikel aus schwefelabsorbierenden Zusätzen, die im Abfallmaterial des Wirbelbettes enthalten sind, in Kontakt mit dem in dem Wirbelbett zu verbrennenden Brennstoff zu bringen. Um die schwefelabsorbierenden Partikel mit den Brennstoffpartikeln zu vermischen, verwendet dieses Verfahren das vorhandene System zum Transport des Brennstoffes von dem Vorratsbunker zur Brennkammer. Diese Rezirkulation des Schwefel-Absorptionsmittels soll mehrere Male durchgeführt werden. Bei diesem Verfahren wird kein zusätzliches Wasser hinzugefügt.
• Die EP-A-0 132 061 beschreibt eine Vorrichtung zum Sortieren der Partikel eines Wirbelbetts in Fraktionen, um zu große Aschepartikel auszuscheiden, die für eine effiziente Fluidisation des Bettes nicht akzeptierbar sind. Aus diesem Grunde wird Bettinaterial mittels eines Rohres dem Boden des Bettgefäßes entzogen und dann in ein vertikales Rohr eingeblasen, dessen unteres Ende an eine Klassifizier-Vorrichtung angeschlossen ist, während das obere Ende wieder in den Freiraum des Bettgefäßes zurückführt. Über die Klassifizier-Vorrichtung wird dem entzogenen Material ein Treibgas mit einem solchen Druck zugeführt, daß die leichteren Partikel des entzogenen Bettmaterials mit dem Treibgas zurück zu dem Bettgefäß fortgetragen werden, während die größeren und schwereren Partikel durch die Schwerkraft in einen Abführungsbehälter fallen. Das Treibgas besteht gewöhnlich aus Luft. Jedoch in solchen Fällen, in denen eine Reaktion der Partikel mit dem Sauerstoff der Luft stattfinden könnte, z.B. im Falle eines Gaserzeugers, können auch Stickstoff oder Dampf als Treibgas verwendet werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur verbesserten Ausnutzung eines Schwefel-Absorptionsmittels beim Verbrennen von Brennstoff in einem Wirbelbett zu entwickeln, welches einfacher, weniger raumaufwendig und weniger kostspielig ist als das bekannte Verfahren und welches sich insbesondere für eine Anlage mit einem unter Druck stehenden Wirbelbett eignet. Die Erfindung bezieht sich auch auf die Schaffung einer Kraftwerksanlage zur Durchführung des genannten Verfahrens.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren gemäß dem Ober-18 begriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat..
• Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen 2-5 genannt.
• Eine Kraftwerksanlage zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Anspruches 6.
• Weiterentwicklungen dieser Kraftwerksanlage sind gekennzeichnet durch die Merkmale der weiteren Ansprüche 8 und 9.
• Gemäß der Erfindung wird das Bettmaterial dem Wirbelbett entzogen und mit Dampf gemischt. Calziumoxyd (CaO) und Calziumkarbonat (CaCO&sub3;) in dem heißen Bettmaterial reagieren mit Dampf wie folgt:
• CaO + H&sub2;OTCa(OH)&sub2; + 66 kJ/g-mol
• CaCO&sub3; + H&sub2;OTCa(OH)&sub2; + CO&sub2; - 112 kJ/g-mol
• Diese Reaktionen sind ausreichend heftig, um die Bettmaterialpartikel zu zertrümmern. Unverbrauchtes Absorptionsmittel im Inneren der Partikel wird freigelegt und wird für die Absorption zugänglich. Das so entstehende Calziumhydroxyd Ca(OH)&sub2; ist ein sehr feinkömiges Pulver. Calziumhydroxyd Ca(OH)&sub2; ist ein gutes Schwefel-Absorptionsmittel und hat in Pulverform eine hohe Reaktivität dank der großen verfügbaren Reaktionsoberfläche. Die folgende Reaktion findet statt.
• Ca(OH)&sub2; + SO&sub2; + 1/2 O&sub2;TCaSO&sub4; + H&sub2;O + 435 kJ/g-mol
• Bei Temperaturen unter 640ºC befindet sich Calziumhydroxyd Ca(OH)&sub2; stets im festen Zustand. Bei Temperaturen über 640ºC können sich flüssige Phasen bilden. Dies kann dazu führen daß Partikel aneinander haften und so Klumpen formen, welche das Transportrohr verstopfen können. Es ist daher empfehlenswert, das entzogene Bettmaterial auf eine Temperatur unter 640ºC herabzukühlen, bevor es zur Reaktion mit Dampf gebracht wird.
• Die Reaktion des entzogenen Bettmaterials kann in einem pneumatischen Transportrohr zwischen der Aschenkammer und der Brennkammer und einem Wieder-Einspeisepunkt in die Brennkammer stattfinden. Dampf wird durch eine Ejektordüse in das Transportrohr eingespeist und wirkt als Treibgas. Das Transportrohr kann mit Vorrichtungen versehen sein, um die Transportzeit und damit die Zeit zu verlängern, in der Dampf mit den Partikeln des Bettmaterials reagieren kann.
• Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
• Figur 1 die Erfindung in ihrer Anwendung bei einer PFBC- Kraftwerksanlage,
• Figur 2 schematisch das Geschehen bei dem Zusammenkommen eines heißen Bettpartikels mit Dampf.
• In den Zeichnungen bezeichnet 10 ein Druckgefäß, welches ein Bettgefäß 12 und eine Gasreinigungsanlage, die von einem Zyklon 14 symbolisiert wird, umgibt. In Wirklichkeit gehören zu der Gasreinigungsanlage parallel geschaltete Gruppen von in Reihe geschalteten Zyklonen. Im unteren Teil des Bettgefässes 12 ist eine Luftverteiler 16 angeordnet zur Verteiung von Luft für die Fluidisation des aus Partikelmaterial bestehenden Bettes 18 und für die Verbrennung von Brennstoff, der dem Bett 18 durch eine Brennstoff zufuhrleitung 20 16 zugeführt wird. Frisches Bettmaterial wird dem Bettgefäß 12 durch die Leitung 21 zugeführt. Der Luftverteiler unterteilt das Bettgefäß 12 in eine obere Brennkainmer 22 und eine untere Aschenkammer 24. Der obere Teil der Brennkammer 22 bildet einen Freiraum 22a, wo Verbrennungsgase aus dem Bett 18 gesammelt wird. Diese Gase werden über die Leitung 26 aus dem Freiraum 22a dem Zyklon 14 zugeführt. Der im Zyklon abgeschiedene Staub wird durch die Leitung 50 und eine druckreduzierende Staubabführvorrichtung 52 abgeführt und in einen Behälter außerhalb des Druckgefässes gesammelt. Das zugeführt, die einen Generator 32 und einen Kompressor 34 treibt. Der Kompressor komprimiert Verbrennungsluft, welche durch die Leitung 36 dem Raum 38 zwischen dem Druckgefäß 10 und dem Bettgefäß 12 zugeführt wird. Der Luftverteiler 16 ist als langgestreckte Verteilerkammer 40 mit Düsen 42 ausgebildet. Luft für die Fluidisation und die Verbrennung wird dieser Verteilerkammer 40 aus dem Raum 38 über nicht dargestellte Ventilglieder oder Dämpfer zugeführt, welche die Größe des Luftstromes bestimmen. Die Verteilerkainmer 40 bildet Schlitze oder Öffnungen 44, durch welche Bettmaterial aus dem Bett 18 in der Brennkammer 22 in die Aschenkammer 24 fließen kann. Das Bettmaterial, Schwefel-Absorptionsmittel und Rückstände von der Verbrennung werden aus der Aschenkammer durch den Zellen-Einspeiser 46 in dem Abführrohr 48 abgeführt.
• Im Bett 18 der Brennkammer 22 sind Rohre zur Erzeugung von Dampf und zur Kühlung des Bettes angeordnet, und in der Aschenkammer 24 sind Rohre 56 für die Überhitzung dieses Dampf es angeordnet. Der Dampf treibt eine Turbine 58, die an die genannten Rohre angeschlossen ist und die einen Generator 60 treibt. Der die Turbine 58 verlassende Dampf kondensiert in einem Kondensator 62, und das Kondensat wird von der Speisewasserpumpe 64 zu den Rohren 54 im Bett 18 zurückgespeist.
• Die Anlage ist mit einer Einrichtung zur Zerkleinerung der Bettmaterialpartikel versehen, um das unverbrauchte Schwefel-Absorptionsmittel im Inneren der Partikel freizulegen. Die zerkleinerten Bettmaterialpartikel werden dem Bett wieder zugeführt, wo das Absorptionsmittel, welches vorher schwer zugänglich war, jetzt leicht für eine Absorptionsreaktion zugänglich ist. Das Bettmaterial wird zu seiner Zerkleinerung mit Dampf behandelt. Wie aus Figur 1 hervorgeht, besteht die Behandlungseinrichtung aus einer pneumatischen Transportvorrichtung 66 zur Rückführung von Bettmaterial aus der Aschenkammer 24. Als Transportgas wird Dampf verwendet. Zu dieser Transportvorrichtung 66 gehört ein Saugmundstück 68, welches an die Aschenkammer 24 angeschlossen ist, ein Ejektor 70, ein Rohr 72 und zumindest ein Einspeisemundstück 74. Die Öffnung des Mundstückes/der Mundstücke in der Brennkammer 22 kann im Bett 18 und/oder im Freiraum 22a über dem Bett positioniert sein. Das Ejektormundstück 76 ist über das Rohr 80, das Ventil 82 und die Leitung 84 an eine Dampf leitung 78 angeschlossen. Das Transportrohr 72 kann einen erweiterten Abschnitt 72a haben, der eine Kammer 86 bildet, durch die die Verweilzeit der Partikel in dem Transportrohr 72 vergrößert wird, wodurch die Zeit, die das Bettmaterial der Dampfatmosphäre ausgesetzt ist, verlängert wird. Die Materialmenge, die durch die Transporteinrichtung zirkuliert, mit Dampf behandelt wird und von der Aschenkammer 24 der Brennkammer 22 wieder zugeführt wird, wird geregelt durch den Dampfstrom zum Ejektormundstück 76. Der Dampfstrom wird von einem Ventil 82 geregelt, welches ein Steuerglied 90 hat, das an einer Betätigungsvorrichtung 92 angeschlossen ist. Der erforderliche Dampfdruck wird durch den Druck in der Brennkammer 18 und von der Menge des zu zirkulierenden Materials bestimmt.
• Der Druck muß etwas höher sein als der Druck in der Brennkammer 18. Die Dampf leitung 84 kann auch ein Reduzierventil zur Herabsetzung des Druckes des der Leitung 78 entnommenen Dampfes enthalten. Die Temperatur des Dampfes sollte über 200ºC liegen, aber nicht die Temperatur TB des abgezogenen Bettmaterial übersteigen.
• Wie bereits erwähnt, soll die Temperatur des mit Dampf behandelten Bettmaterials unter etwa 640ºC liegen. Das Material im Bett 18 der Brennkammer 22 hat eine Temperatur TA von 800-950ºC. Wenn das fallende Bettmaterial die Rohre 56 in der Aschenkammer 24 passiert hat, wird es auf eine Temperatur beträchtlich unter 640ºc abgekühlt sein und im Intervall von 300-500ºC liegen.
• Die Reaktion, die durch die Behandlung des Bettmaterial ausgelöst wird, ist in Figur 2 dargestellt. Wenn ein Partikel mit Dampf in Kontakt kommt, werden CaO und CaCO&sub3; mit Wasser reagieren und Ca(OH)&sub2; in Form eines feinen Pulvers bilden, während CO2 freigesetzt wird. Die Oberflächenschicht aus CaSO&sub4; wird aufgebrochen, wodurch das im inneren der Partikel vorhandene unverbrauchte Absorptionsmittel freigelegt wird. Wie erwähnt, fällt das Ca(OH)&sub2; als ein feines Pulver an, welches eine große effektive Oberfläche hat, die das Pulver zu einem sehr effizienten Absorptionsmittel macht. Es wird daher in hohem Maße ausgenutzt, selbst wenn die Verweilzeit im Bett 18 kurz ist.

Claims (8)

1. Verfahren zur verbesserten Ausnutzung eines Schwefel-Absorptionsmittels beim Verbrennen von schwefelhaltigem Brennstoff, vorzugsweise Kohle, in einem Wirbelbett (18) aus partikelförmigem Material, welches zumindest teilweise aus einein Schwefel-Absorptionsmittel besteht, welches Calcium (Ca) oder eine geeignete Calciuinverbindung enthält, durch Entziehung von Bettmaterial aus dem Wirbelbett, Behandlung des Bettmaterials mit Dampf derart, daß das Bettmaterial zerfällt und unverbrauchtes Absorptionsmittel im Inneren der Partikel freigelegt wird, und anschließende Rückführung des Bettmaterials in das Bett, dadurch zeichnet, daß das entzogene Bettmaterial dem Wirbelbett mittels einer pneumatischen Transportvorrichtung, die von Dampf getrieben wird, wieder zugeführt wird, wobei der Dampf sowohl als Transportgas wie auch als Reaktionsmittel zur Herbeiführung des Zerfalls der Bettmaterialpartikel dient.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bettmaterial auf eine Temperatur unter 640ºC gekühlt wird, bevor Dampf zugeführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Verbrennungsanlage mit einem Bettgefäß (12), welches eine Brennkammer (22) über einem Luftverteiler (16) für Luft zur Fluidisation des Bettes (18) und eine Aschenkammer (24) für das Entziehen und Kühlen von Asche und verbrauchtem Bettmaterial hat, teilweise verbrauchtes Bettmaterial der Aschenkammer (24) entzogen wird, mit Dampf behandelt wird und dem 32 Bett (18) in der Brennkammer (22) wieder zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Bettmaterial pneumatisch von der Aschenkammer zu dem Bett in der Brennkammer transportiert wird, wobei Dampf als Antriebsmittel dient.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Dampf einem Ejektor (70) in einem Transportrohr (72) zwischen der Aschenkammer (24) und der Brennkammer (22) zugeführt wird.

6. Kraftwerksanlage zur Verbrennung von schwefelhaltigem Brennstoff, vorzugsweise Kohle, in einem Wirbelbett (18) aus partikelförmigem Material, zu welcher Kraftwerksanlage gehören:

ein Bettgefäß (12),

ein Luftverteiler (16) mit Düsen (42) zur Einspeisung von Luft in das Bettgefäß (12) zwecks Fluidisation des Bettmaterials und Verbrennung des dem Bett (18) zugeführten Brennstoffes, wobei der Luftverteiler (16) das Bettgefäß in eine Brennkammer (22) und eine Aschenkammer (24) unterteilt,

Öffnungen (44) in dem Luftverteiler (16), durch die Bettmaterial aus der Brennkammer (22) in die Aschenkammer (24) fließen kann,

im Bett (18) der Brennkammer (22) angeordnete Rohre zur Erzeugung von Dampf und zur Kühlung des Bettes, und

eine Einrichtung zur Kühlung von Bettmaterial in der genannten Aschenkammer (24),

dadurch gekennzeichnet, daß ferner zur der Kraftwerksanlage gehöhren

eine pneumatische Transportvorrichtung (68), die mit Dampf betrieben wird, zur Entziehung von gekühltem Bettmaterial, welches Schwefel-Absorptionsmittel enthält, aus der Aschenkammer (24),

eine Vorrichtung (70) zur Mischung des transportierten entzogenen Bettmaterial mit Dampf und

eine pneumatische Transportvorrichtung (72) für die Wiederzufuhr des Bettmaterials in das Bett der Brennkammer (22), wobei die Transportvorrichtung (72) von Dampf getrieben wird, der zugleich als Mittel zur Reaktion mit dem Bettmaterial dient.

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7. Kraftwerksanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein pneumatisches Transportrohr (72) zwischen der Aschenkammer (24) und der Brennkammer (22) angeordnet ist, wobei das Transportrohr einen Ejektor (70) mit einem Mundstück für Antriebsgas hat, welches Mundstück über ein Steuerventil (82) an eine Dampfquelle (78) angeschlossen ist, wobei der Ejektor sowohl das Vermischen des Bettmaterial mit dem Dampf bewirkt als auch die Reaktion des Dampfes mit dem Bettmaterial im Ejektor (70) und in dem Transportrohr (72) stromabwärts des Ejektors (70).

8. Kraftwerksanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Transportrohr (72) einen erweiterten Teil oder eine Kammer (86) hat, durch welche die Verweilzeit des Bettmaterials in der Dampfatmosphäre verlängert wird.