DE4003499A1 - Vorrichtung zur trocknung, mahlung und verbrennung ballastreicher brennstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trocknung, Mahlung und Verbrennung ballastreicher Brennstoffe, insbesondere solcher mit hohem Wassergehalt, wie Rohbraunkohle und Frästorf, wie sie in Kopplung mit Dampfkessel- oder Ofenfeuerungsanlagen zur Nutzung solcher Brennstoffe durch Verbrennung in Form von Brennstaub erforderlich ist.

Brennstoffe mit hohem Wassergehalt, wie Rohbraunkohle und Fräs­ torf, müssen vor ihrer energetischen Nutzung getrocknet und für ihre Verwendung in Staubfeuerungen gemahlen werden.

Für die Trocknung werden indirekt beheizte Kontakttrockner, wie Teller-, Röhren-, Scheiben- und Wirbelschichttrockner, die die energetischen Vorzüge der Kraft-Wärme-Kopplung nutzen können, oder Wirbelschicht-, Trommel- und Flugstromtrockner, denen die für die Trocknung erforderliche Wärmeenergie mit heißen Gasen zugeführt wird, eingesetzt (Krug; Naundorf, Braunkohlebriket­ tierung, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1984, Band 1, Kapitel 6).

Das mittlere Temperaturniveau der in direkt beheizten Trocknern als Wärmeenergieträger eingesetzten Gase ist in der Regel höher als das der zur indirekten Beheizung verwendeten.

Deshalb arbeiten die direkt beheizten Trockner energieökonomisch ungünstiger und belasten die Umwelt höher.

Vor Verwendung der getrockneten Brennstoffe in Brennstaub­ feuerungen müssen die Brennstoffe gemahlen werden. Dafür werden die verschiedensten Mühlen mit und ohne Sichtung des Mahlgutes betrieben, die meist den Trocknern direkt nachgeschaltet sind. Diese Art der Brennstofftrocknung und -mahlung hat sich vor allem wegen der möglichen Leistungsgrößen der Trockner und Mühlen zur Erzeugung von Brennstaub für externe Feuerungen durchgesetzt.

Für Großfeuerungsanlagen, z. B. für Dampfkessel, werden überwiegend Mahltrocknungsanlagen gebaut und betrieben. Solche Anlagen entnehmen dem Feuerraum des Dampfkessels Rauchgas mit einer Temperatur größer 800°C. Dem heißen Rauchgas werden vor der Mühle vorgebrochene wasserhaltige Brennstoffe zugeführt. Der Trocknungsprozeß wird somit vor der Mühle eingeleitet. Abgekühltes Rauchgas und vorgetrocknete Brennstoffe durchlaufen gemeinsam Schläger- oder Schlagradmühlen, in denen der Trocknungsvorgang abgeschlossen und der Brennstoff zu Brennstaub gemahlen wird.

Brennstaub und Brüden, die aus abgekühltem Rauchgas und verdampftem Brennstoffwasser gebildet werden, werden von der Mühle zu den Kesselbrennern gefördert, in denen der Brennstaub ein- oder mehrstufig verbrannt wird. Zur Entlastung der Feuerräume wurden durch Lösungen bekannt, bei denen ein Teilstrom der Brüden um den Feuerraum im Bypaß gefahren oder nach entsprechender Entstaubung an die Umwelt abgegeben wird.

Eine zusammenfassende Darstellung solcher Vorrichtungen für Rohbraunkohlenfeuerungen gibt S.W. Lautenschläger in seinem Vortrag "Energieerzeugung mit heizwertarmer Kohle", gehalten auf der Tagung "Thermal and Nuclear Power Section Electrical Association" in St. Johns/Neufundland vom 15.-17. 10. 1973 (Firmenschrift Kesselwerke AG/BRD).

Das notwendige hohe Temperaturniveau des für die Trocknung erforderlichen Rauchgases hat zur Folge, daß beim Einsatz von Braunkohle und Torf mit Wassergehalten zwischen 50 bis 60 Masse-% bis zu 20 Masse-% des Brennstoffes für die Erzeugung des Wärmeenergieträgers für die Trocknung verbraucht, der energetischen Nutzung entzogen werden und die Feuerungsanlagen dementsprechend größer gebaut werden müssen. Außerdem sind die Verbindungsleitungen zwischen Feuerraum und Mühle zur Rückführung der heißen Rauchgase komplizierte, aufwendige und störanfällige Bauteile.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, den spezifischen Brennstoffverbrauch von Dampfkesseln oder Ofenanlagen, die für Brennstoffe mit hohem Wassergehalt, wie Rohbraunkohle und Frästorf, gebaut wurden oder werden und die von solchen Anlagen verursachten Umweltbelastungen, einschließlich der Kohlendioxidemission, je Leistungseinheit, bei Beibehaltung ihrer vollen Funktionsfähigkeit und Betriebscharakteristik, zu senken.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Trocknung, Mahlung und Verbrennung ballastreicher Brennstoffe für Großfeuerungsanlagen an Dampfkessel- und Ofenanlagen zu realisieren, die nicht mit einem Teil der in den Feuerräumen der Großfeuerungsanlagen wenig abgekühlten Verbrennungsgase, sondern mit solchen Wärmeenergieträgern, die nach dem Prinzip der Kraft- Wärme-Kopplung aus dem Wärmeteil des Prozesses, z. B. als Turbinenentnahme- oder Gegendruckdampf, ausgekoppelt werden, betrieben wird, d. h., die zu lösende Aufgabe besteht darin, einen indirekt beheizten Trockner, z. B. einen Wirbelschichttrockner, so zwischen vorhandene Brennstoffversorgung, Mühlen, Brenneranlagen, Feuerräume und Wärmenutzungsanlagen einzuordnen, daß die volle Funktionsfähigkeit der vorhandenen Gesamtanlage bei Erreichen des erfindungsgemäßen Zieles erhalten bleibt.

Gelöst wird die technische Aufgabe erfindungsgemäß, indem ein Wirbelschichttrockner, in dem sich ein indirekt beheiztes Wirbelbett aus getrocknetem Brennstoff befindet, dem wasserhaltiger Brennstoff mit einem Körnungsband kleiner 10 mm zugeführt werden kann und das mit Luft der Dampfkessel- oder Ofenfeuerungsanlage nach Abschluß der Wärmeenergieübertragung mit einem Temperaturniveau von 70 bis 300°C entnommenen Verbrennungsgas oder rezirkulierten Brüden aus dem Trockner selbst fluidisiert wird, mindestens eine bekannte Mühle und Brenner in Richtung des Brennstoffmassestromes in genannter Reihenfolge so miteinander verbunden sind, daß der im Wirbelschichttrockner anfallende getrocknete Brennstoff und Brüden gemeinsam die Mühle durchlaufen und der in der Mühle aus getrocknetem Brennstoff gemahlene Brennstaub gemeinsam mit den Brüden den Brennern zugefahren werden kann.

Es ist weiterhin bevorzugt, daß bei Verwendung von Brennstoffen mit hohem mineralischen Ballast, wie Pyrit und Steinholz der sich im Wirbelbett vom Brennstoff separiert, ein Wirbelschichttrockner verwendet wird, der Trockenbrennstoffausträge in Höhe des Wirbelbodens und in Höhe der Wirbelbettoberfläche hat, über die unabhängig voneinander Trockenbrennstoffteilströme aus der Wirbelschicht abgezogen werden, wobei der über den Austrag in Höhe des Wirbelbodens mit mineralischem Ballast angereicherte, ausgetragene Teilstrom nicht über die Mühle, sondern einer Nachbrenneinrichtung der Feuerung, wie Nachbrennrost- oder Wirbelschichtfeuerung, oder einer anderen externen Vorrichtung, z. B. zur Abtrennung von mineralischem Ballast, zugefahren wird.

Zweckmäßig ist es auch, den Wirbelschichttrockner mit einer Brüdenentstaubungsanlage zu koppeln, über die zum Zwecke der Entlastung der Mühle, der Brenner und des Feuerraumes ein Teil der Brüden im Bypaß zu diesen Anlagenteilen gefahren werden oder an die Umwelt abgegeben und aus der Brüdenbrennstaub für externe Verbraucher ausgetragen werden kann.

Ebenfalls ist es vorteilhaft, die Vorrichtung mit einer externen Durchlauf- oder Sichtermühle zu verbinden, in der getrockneter Brennstoff aus dem Trockner oder der Mühle zu Brennstaub mit höherer Feinheit für externe Verbraucher produziert werden kann. Mehrere Mühlen mit einem Wirbelschichttrockner zu koppeln, kann ebenfalls zweckmäßig sein.

Die Ansprüche 6 und 7 betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der die Einordnung der erfinderischen Vorrichtung in einen Kraftwerksblock für Rohbraunkohle des Standes der Technik dargestellt ist, näher erläutert werden.

Beim Stand der Technik wird vorgebrochene Rohbraunkohle 1 und aus dem Feuerraum des Kessels 7 bis 1000°C heißes Verbrennungsgas über eine Leitung 2 einer Ventilatorschlagrad- oder -schlägermühle 3 zugeführt. Die Mühle 3 fördert die Brüden 4, bestehend aus verdampftem Brennstoffwasser und abgekühltem Verbrennungsgas, und Brennstaub 5 zu den Brennern 6, mit deren Hilfe der Brennstaub 5 im Feuerraum des Kessels 7 verbrannt wird. Beim Stand der Technik wird zum Zwecke der Brennstofftrocknung dem Feuerraum des Kessels 7 und damit dem Prozeß exergetisch hochwertige Wärmeenergie entnommen.

Erfindungsgemäß wird auf eine Körnung bis 10 mm zerkleinerte Rohfeinkohle 8 einem indirekt beheizten Wirbelschichttrockner 9 zugeführt, aus dem in Höhe der Wirbelbettoberfläche 10 und über den Wirbelboden 11 im Wirbelbett 12 getrockneter Brennstoff entnommen werden kann. Die indirekte Beheizung des Wirbelbettes 12 erfolgt mit Dampf 13, der der Turbine 14 zwischen den Mittel- und Niederdruckstufen entnommen wurde. Vor seiner Kondensation in einem Heizregister 15 des Wirbelbettes 12 leistet der Dampf 13 in einer Antriebsturbine 16 Arbeit, die zur Druck­ erhöhung des Fluidisierungsgases 17 mit Hilfe eines Gebläses 18 erforderlich ist. Das Gebläse 18 kann über eine Leitung 19 Luft, über eine Leitung 20 abgekühltes Verbrennungsgas aus dem Kraftwerksblock und über eine Leitung 21 Brüden aus dem Wirbelschichttrockner 9 ansaugen. Der Wirbelschichttrockner 9 ist über Leitungen 22 und 23 erfindungsgemäß mit der Mühle 3 verbunden, wobei über die Leitung 22 die Brüden und über die Leitung 23 der getrocknete Brennstoff gefördert werden.

Ebenfalls erfindungsgemäß werden Brüden 4 und Brennstaub 5 aus der vorhandenen Mühle 3 in die vorhandenen Brenner 6 gefördert. Bei Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung entfällt die Entnahme von Verbrennungsgas über die Leitung 2 aus dem Feuerraum des Kessels 7. Der Wärmeenergiebedarf des Wirbelschichttrockners 9 wird durch Dampf 13 gedeckt, der den größten Teil seines Arbeitsvermögens bereits in den Turbinen 14 und 16 abgegeben hat. In einer Entstaubungsanlage 24 kann der über die Leitung 22 zugeführte Brüden vor seiner Ansaugung über die Leitung 21 durch das Gebläse 18 gereinigt werden. Der dabei anfallende Brennstaub kann erfindungsgemäß zur Bedarfsdeckung bei externen Verbrauchern eingesetzt werden. Der zum Zwecke der Brennstaubgewinnung in der Entstaubungsanlage 24 gereinigte Brüden kann über die Leitungen 25 und 26 wieder der Mühle 3 oder über die Leitung 2 dem Feuerraum des Kessels 7 zugefahren oder aber auch über die Leitung 27 an die Umgebung abgegeben werden.

Nach Beschreibung der Vorrichtung wird nachfolgend der rechnerische Nachweis über die Wirksamkeit der erfinderischen Vorrichtung zur Erreichung des Zieles der Erfindung geführt. Zu diesem Zweck wird ein Braunkohlenkraftwerksblock des Standes der Technik energetisch verglichen mit einem Braunkohlenkraftwerksblock nach Einordnung der erfinderischen Lösung.

Beiden Varianten des Vergleiches liegen folgende Qualitäts- und Quantitätskennzahlen zu Grunde:

- Brennstoff: Rohbraunkohle (Rbk)
Zusammensetzung: @	Kohlenstoff (c)	0,243 Masseanteil
Wasserstoff (h)	0,017 Masseanteil
Schwefel (s)	0,010 Masseanteil
Stickstoff (n)	0,001 Masseanteil
Sauerstoff (o)	0,090 Masseanteil
Asche (a)	0,115 Masseanteil
Wasser (w)	0,524 Masseanteil
Verbrennungswärme (Vw)	9691 kJ/kg Rbk
Heizwert (Hn)	7991 kJ/kg Rbk
- Verbrennung @	Mindestluftbedarf der vollständigen Verbrennung	2,348 m³ i. N./kg Rb
praktischer Luftbedarf bei einer Luftzahl: λ=1,3 (trocken)	3,052 m³ i. N./kg Rb
Temperatur der Verbrennungsluft	210°C
praktisches Verbrennungsgasvolumen	3,864 m³ i. N./kg Rb
Temperatur des Verbrennungsgases nach Luftvorwärmer	180°C
zulässige adiabate Verbrennungstemperatur	1390°c
- Wasser-Dampf-Kreisprozeß @	Speisewassertemperatur nach 5stufiger regenerativer Vorwärme	210°C
Frischdampfdruck nach Regelstufe	12,0 MPa
Frischdampftemperatur nach Regelstufe	528°C
- Kohletrocknung und -mahlung @	Wassergehalt des Brennstaubes (Tbk 15)	15 Masse-%
Brennstaubausbeute	0,560 kg/kg Rbk
Brennstaubtemperatur nach Mühle	95°C
Wärmekapazität des Brennstaubes	115 kJ/kg Rbk
Wärmekapazität der Rohbraunkohle	46 kJ/kg
Wärmeenergiebedarf der Kohletrocknung	1300 kJ/kg Rbk
Brüdentemperatur nach Mühle	100°C
Temperatur des Rückgases aus Feuerung	1000°C
Temperatur des Rückgases vor Wirbelschichttrockner	210°C
Volumenstrom der Gasrückführungen	0,900 m³ i. N./kg Rbk
Volumenstrom der Brüden nach Mühle	1,450 m³ i. N./kg Rbk
mittlere spez. Wärmekapazität der Brüden bei 100°C	1,439 kJ/m³ i. N. · K
mittlere spez. Wärmekapazität des Rückgases aus der Feuerung bei 1000°C	1,568 kJ/m³ i. N. · K
mittlere spez. Wärmekapazität des Rückgases bei 210°C	1,424 kJ/m³ i. N. · K
Heizwert der Tbk 15	9096 kJ/kg Rbk

Die Wärmebilanzen zeigen, daß, bei gleicher Brennstoffmenge und -qualität, nach Umrüstung auf die erfindungsgemäße Vorrichtung, die Brennstoffausnutzung im Kessel von 6823 auf 8234 kJ/kg Rbk, d. h., auf das 1,207fache steigt. Bezogen auf die Verbrennungswärme des Brennstoffes entspricht das einer Wirkungsgraderhöhung der Brennstoffausnutzung von 70,4 auf 85,0%, und bezogen auf den Heizwert von 85,4 auf 103,0%. Der Elektroenergieeigenverbrauch des dem Ausführungsbeispiel zu Grunde liegenden Kraftwerksblockes entwickelt sich bezogen auf den konstanten Brennstoffeinsatz wie folgt (in kWh).

Der zur Beheizung der erfinderischen Vorrichtung erforderliche Heizdampf wird im Ausführungsbeispiel der Turbine zwischen den Mittel- und Niederdruckstufen bei p=0,375 MPa und t=270°C entnommen.

Vor seinem Einsatz als Heizdampf im Trockner leistet dieser Entnahmedampf in einer Antriebsturbine eines Kompressors Arbeit zur Druckerhöhung des zur Fluidisierung im Trockner erforderlichen Rückgases.

Die Enthalpie des Dampfes reduziert sich dadurch vor seinem Einsatz als Heizdampf im Trockner um 90 kJ/kg, Druck und Temperatur des Dampfes sinken, so daß der Dampf vor dem Trockner mit einem Druck von 0,22 MPa und einer Temperatur t=220°C als Heizdampf zur Verfügung steht.

Der Heizdampfbedarf beträgt im Ausführungsbeispiel 0,464 kg/kg Rbk.

Diese zusätzliche Entnahme von Heizdampf für das Betreiben der erfinderischen Lösung reduziert im Ausführungsbeispiel das Arbeitsvermögen des Frischdampfes bezogen auf die Brutto-Blockleistung von 0,3078 auf 0,2875 kWh/kg Frischdampf.

Die Brutto-Blockleistung könnte somit durch die Anwendung der erfinderischen Vorrichtung von 103,7 auf 116,9 MW gesteigert werden, während die Nettoleistung von 88,7 auf 101,5 MW steigt. Bezogen auf eine konstante Nettoproduktion des Kraftwerksblockes ergibt sich daraus eine Brennstoffeinsparung von 12,6%. Während die erfinderische Vorrichtung im Feuerraum des Dampfkessels gegenüber dem Stand der Technik gleiche Bedingungen und somit gleiche adiabate Verbrennungstemperaturen, die im Ausführungsbeispiel bei 1314°C liegen, sichert, würde sich bei konstantem Brennstoffeinsatz die Rauchgasbelastung im Wärmetauscherteil des Kessels von 3,864 auf 4,764 m³ i. N./kg Rbk, wegen der wegfallenden Rauchgasrücksaugung aus dem Feuerraum, erhöhen.

Soll die Nettoleistung des Blockes gesichert werden, dann ist bei Realisierung der erfinderischen Vorrichtung entsprechend dem von 0,2633 auf 0,2496 kWh/kg Frischdampf absinkenden Netto­ arbeitsvermögens des Dampfes der Massestrom im Wasser-Dampf- Kreisprozeß um 5,5% gegenüber dem Stand der Technik, d. h. um 18,5 t/h, zu steigern.

Sollte die zur Leistungssicherung notwendige Erhöhung des rauchgasseitigen Volumenstromes nicht möglich sein, dann kann bei Ausschöpfung der möglichen adiabaten Verbrennungstemperatur entweder der Volumenstrom des Rückgases reduziert oder ein Teil der Brüden aus dem Trockner vor dem Brenner an die Umgebung abgegeben werden.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

 1 Rohbraunkohle
 2 Leitung
 3 Mühle
 4 Brüden
 5 Brennstaub
 6 Brenner
 7 Kessel
 8 Rohfeinkohle
 9 Wirbelschichttrockner
10 Wirbelbettoberfläche
11 Wirbelboden
12 Wirbelbett
13 Dampf
14 Turbine
15 Heizregister
16 Antriebsturbine
17 Fluidisierungsgas
18 Gebläse
19 Leitung
20 Leitung
21 Leitung
22 Leitung
23 Leitung
24 Entstaubungsanlage
25 Leitung
26 Leitung
27 Leitung

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Trocknung, Mahlung und Verbrennung für ballastreiche Brennstoffe, insbesondere mit hohem Wassergehalt, an Dampfkessel- oder Ofenfeuerungsanlagen, bestehend aus einem Wirbelschichttrockner, in dem sich ein indirekt beheiztes Wirbelbett aus getrocknetem Brennstoff befindet, dem wasserhaltiger Brennstoff mit einem Körnungsband unter 10 mm zugeführt werden kann und das mit Luft, der Dampfkessel- oder Ofenfeuerungsanlage nach Abschluß der Wärmeübertragung mit einem Temperaturniveau von 70 bis 300°C entnommenen Verbrennungsgas oder rezirkulierten Brüden aus dem Trockner selbst, fluidisiert wird, mindestens einer bekannten Mühle, vorzugsweise Ventilatormühle, und Brennern, dadurch gekennzeichnet, daß Wirbelschichttrockner (9), Mühle (3) und Brenner (6) in Richtung des Brennstoffmassestromes in der genannten Reihenfolge so miteinander verbunden sind, daß der im Wirbelschichttrockner (9) anfallende getrocknete Brennstoff und Brüden gemeinsam die Mühle (3) durchlaufen und der in der Mühle (3) aus getrocknetem Brennstoff gemahlene Brennstaub gemeinsam mit den Brüden den Brennern (6) zugefahren werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der indirekt beheizte Wirbelschichttrockner (9) mit Vorrichtungen ausgerüstet ist, die den Austrag der getrockneten Brennstoffe in Höhe der Wirbelschichtoberfläche (10) und des Wirbelbodens (11) gestatten, und der Wirbelschichttrockner (9) mit der Mühle (3) so verbunden ist, daß der Brüden und die in Höhe der Wirbelschichtoberfläche (10) entnommenen getrockneten Brennstoffe der Mühle (3) und die in Höhe des Wirbelbodens (11) entnommenen getrockneten Brennstoffe einer Nachbrennvorrichtung der der Staubfeuerung, wie Nachbrennrost- oder Wirbelschichtfeuerung, oder einer anderen externen Vorrichtung, z. B. zur Abtrennung mineralischen Ballastes, zugeführt werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelschichttrockner (9) mit einer Entstaubungsanlage (24) gekoppelt ist, über die ein Teil der Brüden an die Umwelt abgegeben oder im Bypaß zu der Mühle (3) und Feuerungsanlagen in die Rauchgasströme der Kessel (7) oder Öfen gefahren werden kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entstaubungsanlage (24) ausgerüstet ist mit einer Austragsvorrichtung zur Ausschleusung des aus den Brüden abgeschiedenen Staubes der getrockneten Brennstoffe.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zusätzlich mit einer Sichter- oder Durchlaufmühle gekoppelt ist, in der getrockneter Brennstoff aus dem Wirbelschichttrockner (9) oder der Mühle (3) weiter aufgemahlen wird.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelschichttrockner (9) mit Anzapfdampf von einer Turbine (14) betreibbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anzapfdampf durch eine Turbine (16) geführt ist, die ein Gebläse (18) für die Druckerhöhung des Fluidisierungsgases für den Wirbelschichttrockner (9) antreibt.