DE69420051T2

DE69420051T2 - System mit niedrigem ausstoss und mit niedrigem luftüberschuss

Info

Publication number: DE69420051T2
Application number: DE69420051T
Authority: DE
Inventors: Carl Bozzuto
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Alstom Power Inc
Priority date: 1993-12-29
Filing date: 1994-09-29
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2014-09-30
Also published as: TW256873B; KR100236131B1; WO1995018335A1; US5488916A; JP2929317B2; CA2179505C; ATE183303T1; CA2179505A1; EP0737290A1; EP0737290B1; JPH09500954A; DE69420051D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein kohlenbefeuertes Dampferzeugungssystem und ein Verfahren, das niedrige Ausstöße an Stickoxiden produziert und mit niedrigem Luftüberschuß arbeitet.
Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO&sub2;) sind Nebenprodukte, die beim Verbrennungsprozeß von praktisch allen fossilen Brennstoffen anfallen. Früher war die Menge dieser anorganischen Verbindungen in den Verbrennungsprodukten nicht groß genug, um die Kesselleistung zu beeinträchtigen, und ihr Vorhandensein wurde weitgehend ignoriert In den letzten Jahren hat sich gezeigt, daß Stickoxide Schlüsselbestandteile der komplexen photochemischen Oxidationsreaktion mit Sonnenlicht sind, die die Smogbildung bewirkt. Heutzutage unterliegt der Ausstoß an NO&sub2; und NO (Sammelbezeichnung NOx) sowohl bundesstaatlichen als auch bundesbehördlichen Vorschriften ist zu einem wichtigen Faktor bei der Konstruktion von brennstoffbefeuerten Anlagen geworden.
Die Bildung von NOX beim Verbrennungsprozeß wird häufig mit der Quelle des für die Reaktion erforderlichen Stickstoffs erklärt. Das NOx, kann der Oxidation von Stickstoff in atmosphärischer Luft entstammen, wobei das Produkt als "thermisches NOx" zeichnet wird, oder es kann seinen Ursprung in den organisch gebundenen Stickstoffbestandteilen haben, die in allen fossilen Brennstoffen enthalten sind, wobei dann von "Brennstoff-NOx" gesprochen wird. Die Bildung von thermischem NOx, kann durch Verringerung der Zeit der Temperatur und der Konzentration von O&sub2; reduziert werden. Dagegen ist das Brennstoff-NOx nicht sehr temperaturabhängig, hängt aber in starkem Maße von der Brennstoff/Luft-Stöchiometrie und der Verweilzeit ab. Es sind eine Reihe von Methoden zur Kontrolle von Brennstoff-NOx entwickelt worden, die eine Modifizierung des Verbrennungsprozesses beinhalten, wie beispielsweise Befeuerung mit niedrigem Luftüberschuß und Luftstufentrennung. Unter brennstoffreichen Bedingungen und bei ausreichend verfügbaren Verweilzeit läßt sich die Umsetzung von aus Brennstoff stammendem Stickstoff zu harmlosem molekularem Stickstoff anstatt zu NOx maximieren.
Eine der Entwicklungen, die zur Reduzierung der NOx-Bildung angewendet worden ist, ist die mit Luftversetzung bzw. konzentrischer Befeuerung arbeitende Technik, die im US-Patent 4,294,178 beschrieben wird. Bei dieser Befeuerungstechnik kommt eine Tangentialbefeuerung zum Einsatz, bei der der Brennstoff und die Primärverbrennungsluft tangential zu einem gedachten Kreis im Zentrum des Feuerraums eingespeist und die Sekundärverbrennungsluft tangential zu einem größeren konzentrischen Kreis zugeführt wird. Dieses Patent beschreibt auch die Verwendung einer Rauchgasrezirkulation, die ebenfalls tangential zwischen dem Brennstoffstrom und dem Sekundärluftstrom erfolgt. Diese konzentrische oder mit Luftversetzung arbeitende Befeuerungstechnik bewirkt eine Reduzierung der NOx- Bildung bei gleichzeitiger Verringerung der Schlackebildung und der Korrosion an den Feuerraumwänden.
Eine Entwicklung, die zur Anwendung gekommen ist, um schädliche Substanzen zu überwachen, ist der in der EP-A-0 505 671 beschriebene Verbrennungskontrollapparat. Dieser Verbrennungskontrollapparat ist zur Verwendung für einen kohlenstaubbefeuerten Feuerraum vorgesehen und bewirkt eine Überwachung von schädlichen Substanzen in brennenden Abgasen und von unverbrannten Substanzen in der Asche sowie eine Überwachung von Leistungsdaten in einer Feinmahleinheit, damit der der Verbrennung dienende Feuerraum sicher und effizient betrieben werden kann. Genauer gesagt, dieser Verbrennungskontrollapparat leitet aus den augenblicklichen Betriebszuständen optimale Kontrollmengen ab, so daß die schädlichen Stickoxide und die unverbrannten Substanzen in der Asche, die den Wirkungsgrad der Verbrennung beeinträchtigen, innerhalb der zulässigen Minimalbereiche gehalten werden, wodurch der der Verbrennung dienende Feuerraum unter Beibehaltung einer guten Stabilität kontrolliert wird.
Wie bereits erwähnt, kommt bei einer anderen Methode zur Reduzierung der NOx-Bildung eine Luftstufentrennung bzw. Überfeuerluft zur Anwendung. Die Überfeuerluftdüsen sind im Windkasten der obersten Kohlendüsen angeordnet. Etwa 20% der gesamten Verbrennungsluft zu einer Brennzone werden durch diese Überfeuerluftdüsen eingespeist. Als Folge davon liegen für den Feuerball leicht unterstöchiometrische Luftbedingungen an. Bei einer Kombination mit einer Befeuerung mit niedrigem Luftüberschuß im Bereich von vielleicht 15 bis 20% Luftüberschuß wird die NOx-Bildung dadurch gesteuert, daß der Hauptanteil der dem Brennstoff entstammenden Stickstoffverbindungen unter insgesamt brennstoffreichen Bedingungen in die Gasphase getrieben wird. In dieser Atmosphäre des Sauerstoffmangels zerfällt eine maximale Menge der freigesetzten Stickstoffzwischenverbindungen zu N&sub2;. Nach erfolgter Einspeisung der restlichen Überfeuerluft bewirkt die langsame Brenngeschwindigkeit eine Reduzierung der Flammenhöchsttemperatur, so daß die Produktion von thermischem NOx in den späteren Verbrennungsstufen eingeschränkt wird. Durch noch niedrigere Luftüberschußwerte (unter 15%) würde die NOx-Bildung weiter reduziert und der Wirkungsgrad der Anlage gesteigert werden, was sich aber in der Vergangenheit als unpraktisch erwiesen hat, weil es dadurch zu einer unvollständigen Verbrennung des Brennstoffs und zu hohen Anteilen unverbrannter Kohle in der Flugasche kommt.

Beschreibung der Erfindung

Ein Dampferzeuger, bei dem ein oder mehrere Kohlenbefeuerungsverfahren mit geringem NOx-Ausstoß zur Anwendung kommen, wird mit weiter reduzierten Luftüberschußwerten bei gleichzeitiger Steuerung des Kohlenstoffverlustes in der Flugasche betrieben. Ausführlicher gesagt, der Dampferzeuger wird zu diesem Zweck nach folgendem Verfahren betrieben, bei dem Kohle feinvermahlen und dieser feinvermahlene Kohle im Dampferzeuger verfeuert wird, wobei der Verbrennungsluftüberschuß auf einem Niveau von unter 15% über dem stöchiometrischen Niveau gehalten, der Prozentsatz an Kohlenstoff in der Flugasche gemessen, ein erwünschter Prozentsatz an Kohlenstoff in der Flugasche festgelegt und die Teilchengröße der feinvermahlenen Kohle so eingestellt wird, daß der erwünschte Prozentsatz an kohlenstoff in der Flugasche beibehalten wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines kohlenbefeuerten Dampferzeugers in Form einer vertikalen Schrittansicht.
Fig. 2 ist eine Schnittdraufsichtdarstellung des Feuerraumabschnitts des Dampferzeugers entlang der Linie 2-2 von Fig. 1.
Fig. 3 ist eine schematische Vorderansicht einer der tangentialen Befeuerungseinheiten.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung des Kohlenstoff-Prozentsatzes in der Flugasche im Vergleich zum Luftüberschuß-Prozentsatz in Abhängigkeit von der Teilchengröße der Kohle.
Fig. 5 ist eine Darstellung der verschiedenen gemessenen Parameter und kontrollierten Funktionen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1 der Zeichnungen zeigt eine typische Dampferzeugungseinheit 10 mit einem Feuerraumabschnitt 12, einer horizontalen Gasführung 14 und einer Rückführung 16. Der Feuerraumabschnitt ist mit Wasserwandrohren 18 ausgekleidet, in denen der Dampf erzeugt wird. Die horizontale Gasführung und die Rückführung enthalten mehrere Kombinationen von Abgasvorwärmern, Überhitzern und Zwischenüberhitzern, die alle eine herkömmliche Bauart für derartige Dampferzeuger aufweisen und daher in den Zeichnungen nicht gesondert dargestellt sind.
Der dargestellte Damferzeuger weist die bekannte Tangentialbefeuerung auf. Kohle wird vom Kohlensilo 20 der Aufgabevorrichtung 22 zugeführt, die die Strömungsmenge zur Feinmahleinheit 24 steuert. Diese Feinmahleinheiten besitzen nicht nur Mittel zur Feinvermahlung, sondern umfassen auch einstellbare Klassierer, die die Teilchengröße der von der Feinmahleinheit ausgetragenen Kohle steuern. Die heiße Primärverbrennungsluft wird über die Leitung 25 ebenfalls der Feinmahleinheit zugeführt und befördert die feinvermahlene Kohle durch die Feinmahleinheit und aus dieser Einheit heraus zu den Brennern. Bei entsprechender Einstellung des Klassierers werden die Teilchen der richtigen Größe mit der Primärverbrennungsluft ausgetragen, und die übergroßen Teilchen werden zu den Feinmahleinheitwalzen zurückgeführt. Diese Feinmahleinheiten weisen eine konventionelle Bauart auf, und die Einzelheiten werden daher nicht dargestellt.
Die feinvermahlenen und klassierten Kohlenteilchen werden zusammen mit der Primärverbrennungsluft durch die Kohlenrohre 26 den Kohlendüsen 28 in den tangentialen Windkästen 30 zugespeist. Wie in Fig. 3 gezeigt, besitzt jeder Windkasten mehrere Kohlendüsen 28 und zusätzlich mehrere Sekundärluftdüsen 32. Die Windkästen sind durch die Lufträume 34 miteinander verbunden, wie aus Fig. 2 ersichtlich. Der Luftvorwärmer 36, der die Wärme von den Verbrennungsgasen auf die eintretende Luft überträgt, liefert die Luft sowohl für die Primärluft zu den Feinmahleinheiten durch die Leitung 25 als auch für die Sekundärluft zum Luftraum 34 und zu den Windkästen 30 durch die Leitung 38. Zwischen dem Luftraum 34 und den Windkästen 30 sind bei 40 Schieber vorgesehen, die die Menge der Luft steuern, die von den Windkästen beim jeweiligen Teilchenniveau in den Windkästen in den Feuerraum eingespeist wird.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, erfolgt die Befeuerung konzentrisch, wobei die Sekundärluft, vom Brennstoff weggeleitet, der angrenzenden Feuerraumwand zugeführt wird, um das Mitreißen der Sekundärluft durch den sich ausweitenden Feuerball aus Primärluft und Kohle zu verringern. Die Kohle und die Primärluft werden an der Tangente des kleinen Kreises 42 entlang den Linien 44 zugeführt, während die Sekundärluft entlang den Linien 46 tangential zum größeren Kreis 48 zugeführt wird. Somit wird die Luft wirksam vom Feuerball ferngehalten, und durch die frühzeitig erreichte Feuerraumstöchiometrie wird eine Verringerung der NOx- Bildung bewirkt. Durch die entlang den Feuerraumwänden geleitete Luft wird außerdem dazu beigetragen, Schlackebildung und Korrosion zu verhindern. Die Fähigkeit, eine Sauerstoffkonzentration an der Wand bei gleichzeitigem Sauerstoffmangel im Feuerball aufrechtzuerhalten, ist für einen erfolgreichen Betrieb mit niedrigem Luftüberschuß von ganz entscheidender Bedeutung.
Fig. 3 ist eine vereinfachte Darstellung eines Tangentialbefeuerungswindkastens, die die Schieber 40, die Kohle-/Primärluftdüsen 28 und die Sekundärluftdüsen 32 zeigt. Oben am Windkasten befinden sich die Überfeuerluftdüsen 50, die von den ebenfalls oben angeordneten Schiebern 52 kontrolliert werden. In der dargestellten Version des Tangentialwindkastens wurden die Brennstoff-/Primärluftdüsen gruppenweise oder gebündelt (und nicht abwechselnd mit der Sekundärluft) angeordnet, was eine andere Möglichkeit ist, die Brenngeschwindigkeit und damit die Temperatur und die NOx-Produktion zu steuern.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Verbrennungsprozeß mit niedrigem Luftüberschuß durchzuführen, d. h. unter 15% und vorzugsweise zwischen 5 und 10% im Vergleich zu einer normalen Luftüberschußrate von 20% oder mehr. Wie bereits erläutert, führt eine alleinige Verringerung des Luftüberschusses zu unverbranntem Brennstoff, der dann als Kohlenstoff in der Flugasche anfällt. Um eine Befeuerung mit geringem Luftüberschuß zu erreichen, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Verbrennungsprozeß entsprechend der Kohlenstoffmenge in der Flugasche gesteuert. Für diesen Zweck stehen eine Reihe handelsüblicher Vorrichtungen zur Verfügung. Eine Technik besteht darin, die Flugaschenprobe zu verbrennen, um den Kohlenstoff in Kohlendioxid umzuwandeln, und dann die Menge des von einer bekannten Flugaschenmenge abgegebenen Kohlendioxids zu messen. Der Kohlenstoffgehalt kann auch durch Widerstands- und Neutronenaktivierungstechniken gemessen werden. Die Flugaschenprobe wird vorzugsweise dem aus der Rückführung des Dampferzeugers oder aus dem Luftvorwärmer austretenden Rauchgasstrom entnommen. Alternativ kann die Probe dem Flugaschentrichter des Abscheiders entnommen werden.
Fig. 1 zeigt einen Flugaschenkohlenstoffdetektor 54, der in der Rückführung des Dampferzeugers 10 im Anschluß an die Rückführungswärmetauschflächen angeordnet ist. Das Meßsignal vom Detektor 54 wird einer Steuereinheit 56 zugeleitet, die so ausgeführt ist, daß sie den Klassierer der Feinmahleinheit 24 steuert, um so die Teilchengröße der Kohle zu steuern. Es könnte angenommen werden, daß der Klassierer der Feinmahleinheit lediglich mit der feinsten Einstellung betrieben werden könnte, damit er immer sehr feine Teilchen liefert, um den Kohlenstoffgehalt niedrig zu halten. Es ist jedoch unerwünscht, die Feinmahleinheiten bei einer Teilchengrößeneinstellung zu betreiben, die geringer ist als den Umständen nach erforderlich. Das Betreiben der Feinmahleinheiten mit einer Teilchengröße, die geringer als notwendig ist, erfordert vor allem beträchtliche Energie, und dieser Energiebedarf muß in einem vernünftigen Verhältnis zu den erzielbaren Vorteilen stehen. Außerdem kommt es, wenn der Klassierer zu fein eingestellt ist, zu einer verstärkten Rezirkulation der größeren Teilchen vom Klassierer zu den Feinmahleinheitwalzen, wodurch wiederum die Frischkohleverarbeitungskapazität der Feinmahleinheit reduziert wird. Dies führt zu einer inadäquaten Kapazität der Feinmahleinheit für den Dampferzeuger oder macht eine außergewöhnlich hohe Kapazität der Feinmahleinheit erforderlich.
Der Kohlenstoffdetektor 14 ist über einen Anlagenbetriebsregler mit der Feinmahleinheit 24 verbunden, um die Einstellungen des Klassierers der Feinmahleinheit zu regeln.
Die graphische Darstellung von Fig. 4 zeigt das Verhältnis zwischen dem Luftüberschuß und dem Kohlenstoff in der Flugasche in Abhängigkeit von der Teilchengröße der feinvermahlenen Kohle. Es ist leicht erkennbar, daß der Kohlenstoff-Prozentsatz in der Flugasche bei verringertem Luftüberschuß zunimmt und bei reduzierter Teilchengröße abnimmt. Es ist außerdem erkennbar, daß der Kohlenstoff-Prozentsatz in der Flugasche selbst dann auf einem erwünschten Niveau gehalten werden kann, wenn der Luftüberschuß reduziert wird, falls die Teilchengröße ebenfalls verringert wird. Wenn die Flugasche für Nebenprodukte, beispielsweise Schlackeblöcke oder Zuschlagstoffe, verwendet werden soll, werden lediglich maximal 5% Kohlenstoff in der Flugasche einer Entsorgung zugeführt, und es kommt zu einem Ausgleich zwischen der durch den Kohlenstoff in der Flugasche verlorenengegangenen Energie und derjenigen Energie, die für eine feinere Vermahlung der Kohle erforderlich ist. In solchen Fällen ist eine Analyse des Anlagenwirkungsgrades nützlich. Diese computerisierten Systeme ermitteln Anlagendaten und berechnen den Anlagenwirkungsgrad online. Anhand des maximalen Anlagenwirkungsgrades wird dann der erforderliche Kohlenstoff in der Flugasche festgelegt. Ein derartiges System ist das verfügbare CETOPS-System (Combustion Engineering Total On-Line Performance System).
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der entsprechenden Betriebsparameter, die gemessen werden würden, und der entsprechenden Funktion, die gesteuert werden müßte. Bei diesem System werden bestimmte Standardsteuerverbindungen aufrechterhalten. Der Brennstoffstrom wird durch den Dampftrommeldruck als Maßstab der Beladung weiterhin aufrechterhalten, und der gesamte Luftstrom wird durch Sauerstoffmessung im Rauchgas aufrechterhalten. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Sauerstoffsollwert jedoch reduziert, um die erwünschte geringe Luftüberschußmenge zu erzielen. Die in den Rauchgasen gemessene NOx-Produktion wird benutzt, um das Verhältnis der Überfeuerluft im Vergleich zur Sekundärluft zu steuern.

Claims

1. Bei einem Verfahren für den Betrieb eines kohlenstaubbefeuerten Dampferzeugers (10), das die Feinvermahlung von Kohle, das Verfeuern der feinvermahlenen Kohle im Dampferzeuger (10), das Messen des Kohlenstoff-Prozentsatzes in der durch Verfeuern der feinvermahlenen Kohle produzierten Flugasche, das Festlegen eines erwünschten Kohlenstoff-Prozentsatzes in der Flugasche sowie das Einstellen der Teilchengröße der feinvermahlenen Kohle einschließt, umfaßt die Verbesserung folgendes:

a. Feinvermahlung von Kohle (24) zu einer ausgewählten Teilchengröße und Verfeuern der feinvermahlenen Kohle und Primärluft in einen Feuerraum (12) des Dampferzeugers (10) in einer solchen Weise, daß Ströme (44) der feinvermahlenen Kohle und der Primärluft einem inneren gedachten, im wesentlichen horizontalen Kreis (42) im Zentrum des Feuerraums (12) tangential zugeführt werden;

b. Einspeisen von Sekundärverbrennungsluft (32) in den Feuerraum (12) in einer solchen Weise, daß die Ströme (46) der Sekundärverbrennungsluft einem äußeren gedachten Kreis (48) konzentrisch mit dem inneren Kreis (42) und diesen umgebend tangential zugeführt werden, um NOx in den Rauchgasen zu reduzieren und eine oxidierende Atmosphäre angrenzend an die Wände des Feuerraums (12) aufrechtzuerhalten;

c. Einspeisen von Überfeuerverbrennungsluft (50) in den Feuerraum (12) an einer Stelle oberhalb der feinvermahlenen Kohle, der Primärverbrennungsluft (28) und der Sekundärverbrennungsluft (32), um NOx in den Rauchgasen weiter zu verringern;

d. Messen des Betriebswirkungsgrades des Dampferzeugers (10);

e. Einstellen der Menge der Primärverbrennungsluft (28), der Sekundärverbrennungsluft (32) und der Überfeuerverbrennungsluft (50) auf ein Niveau unter 15% über dem stöchiometrischen Niveau, um den Betriebswirkungsgrad des Dampferzeugers (10) zu maximieren, und Einstellen des Verhältnisses der Sekundärverbrennungsluft (32) und der Überfeuerverbrennungsluft (50), um das NOX im Rauchgas zu minimieren;

f. Messen (54) des Prozentsatzes an unverbranntem Kohlenstoff in der Flugasche;

g. Festlegen eines erwünschten maximalen Prozentsatzes an unverbranntem Kohlenstoff in der Flugasche durch Optimierung der für eine feinere Vermahlung erforderlichen Energie im Vergleich zu der durch reduzierten Kohlenstoffverlust eingesparten Energie; und

h. Einstellen der Teilchengröße der feinvermahlenen Kohle (24), um den erwünschten Prozentsatz an unverbranntem Kohlenstoff in der Flugasche aufrechtzuerhalten.

2. Bei einem Verfahren für den Betrieb eines kohlenstaubbefeuerten Dampferzeugers (10), die Verbesserung nach Anspruch 1 und weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff-Prozentsatz in der Flugasche bei 5% oder weniger gehalten wird.

3. Bei einem Verfahren für den Betrieb eines kohlenstaubbefeuerten Dampferzeugers (10), die Verbesserung nach Anspruch 1 und weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsluftüberschuß auf einem Niveau zwischen 5 und 10% über dem stöchiometrischen Niveau gehalten wird.