[0001] Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsanlage mit einem ersten Zug, mit wenigstens
einer Brennstoffzugabe zum Verbrennen eines Brennstoffs und mit einem Wirbelbett.
Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren in einer Verbrennungsanlage.
[0002] Bei industriellen Standorten, in denen brennbare Abfallstoffe anfallen, hat es sich
bewährt, Verbrennungskraftwerke zu errichten. So können Masse und Volumen der anfallenden
Abfallstoffe zum Einen stark minimiert werden und zum Anderen kann der Standort seinen
Energiebedarf zum Teil oder vollständig selbst decken. Dazu werden häufig Wirbelbettfeuerungen
(Wirbelschichtfeuerungen) verwendet. Wirbelschichtverbrennungen haben den Vorteil,
dass sie aufgrund der hohen Speicherkapazität des Bettmaterials in der Lage sind,
ein breites Brennstoffband verfeuern zu können. Zusätzlich erlaubt die ausgezeichnete
Durchmischung in einem Wirbelbett eine sehr homogene Verbrennung und damit verbunden
sehr niedrige Emissionswerte. Viele Abfallstoffe bilden bei der Verbrennung Aschen,
die einen Schmelzpunkt haben, der unter der üblichen Verbrennungstemperatur einer
solchen Anlage liegt. Dies tritt vor Allem bei landwirtschaftlichen Produkten wie
Gräsern, Stroh, Körnern, Energiepflanzen, tierischen Abfallprodukten mit hohen Alkaligehalten
in der Asche oder kommunalen bzw. gewerblichen Abfallbrennstoffen oder Shredderfraktionen
aus der Metallaufbereitung. Die Probleme bei herkömmlichen Wirbelschicht-anlagen mit
diesen Brennstoffen sind dabei folgende: Durch Bildung von Eutektika der Brennstoffaschen
und des Bettmaterials kann es zu einem Schmelzen im Wirbelbett kommen, das zu versinterten
Klumpen im Wirbelbett führt. Diese können nicht mehr fluidisiert werden und wachsen
im Wirbelbett weiter, bis sie einen Betrieb des Kessels mit den einzuhaltenden Emissionsgrenzwerten
nicht mehr erlauben. Für dieses Problem existieren bis zu Ascheschmelzpunkten von
ca. 600 °C technologische Lösungen. Durch gestufte Verbrennung und geeignete Bettmaterialien
kann das Sintern der Asche im Wirbelbett verhindert werden. Hier wird nach der Brennstoffzugabe
erneut Luft zugeführt um die Verbrennung weiter zu führen bzw. zu vervollständigen.
Diese Luft wird auch als Sekundärluft bezeichnet. Oft wird auch noch etwas später
neuerlich Luft (Tertiärluft) zugeführt.
[0003] Ein zweiter Mechanismus ist aber noch nicht gelöst. Die niedrig schmelzenden Aschen
bilden, speziell wenn die Luftzugabe insbesondere der Sekundär- (oder auch Tertiär-)
luft in einem gemeinsamen Feuerraum übereinander und über dem Wirbelbett angeordnet
sind, an den Wänden des Feuerraumes Ablagerungen, die mit fortdauerndem Betrieb der
Anlage anwachsen und bei einer bestimmten Größe oder bei geänderten Verbrennungsbedingungen
durch Lastwechsel sich von der Wand lösen und in das Wirbelbett fallen. Dort behindern
sie die Fluidisierung was ebenso zu unkontrollierten Verbrennungsbedingungen führt,
die ein Abstellen der Anlage notwendig machen. Dieser Umstand kann theoretisch durch
ständiges, kontinuierliches Reinigen der Wände im Feuerraum umgangen werden. Dadurch
wird verhindert, dass Beläge über eine kritische Größe anwachsen, kleine Beläge können
in Betrieb aus dem Wirbelbett ausgeschleust werden. Praktisch ist diese Methode aber
nur schwer durchführbar, weil man nicht jede Fläche und Ecke des Feuerraumes mit Heizflächenreinigungseinrichtungen
erreichen kann und ein ständiges Reinigen Wirkungsgradverluste bedeutet und einen
erhöhten Verschleiß durch Korrosion- und Erosionsmechanismen an den Wänden hervorrufen
kann. Die Anlage bedarf häufiger Reinigungsarbeiten, was, insbesondere auch durch
den Stillstand der Feuerung, weitere hohe Kosten verursacht. Es ist aus der
WO 2014/184437 A ein Kessel bekannt, bei dem der untere Teil geteilt und so ein Bereich mit Wirbelschicht
und ein freier Bereich zur Abfuhr von Schlacken und Asche geschaffen wird. Weiters
wird das Gas durch Schikanen bei der Aufwärtsströmung umgeleitet. Aus der
JP S58156107 A ist ein Kessel bekannt, bei dem das Gas einem Zyklon zugeführt wird, in den zur Kühlung
Wasser eingespritzt wird. Die
JP S602817 A zeigt eine einstufige Verbrennung mit einem abwärts durchströmten Kühler.
[0004] Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Verbrennungsanlage und ein Verfahren zum
Verbrennen solcher Brennstoffe zur Verfügung zu stellen, welches die oben genannten
Nachteile vermeidet oder vermindert und die direkte Aufgabe von Brennstoffen mit niedrig
schmelzenden Aschen als Brennstoff in das Wirbelbett ermöglichen.
[0005] Die Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, dass in einem vom Wirbelbett durch
beispielsweise eine Umlenkung separierten Bereich eine Zufuhr für Sekundärluft zur
vollständigen Verbrennung in einem idealerweise abwärts durchströmten zweiten Zug
angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, dass sich Ascheanbackungen und Schlacken erst
im zweiten Zug bilden ohne das Wirbelbett negativ zu beeinflussen.
[0006] Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im
zweiten Zug ein Abzug für niedrig schmelzende Aschen und Schlacke vorgesehen ist.
Dadurch können diese getrennt abgeführt werden.
[0007] Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im idealerweise
abwärts durchströmten zweiten Zug weitere Luftzugaben vorgesehen sind. Damit kann
eine vollständige Verbrennung sichergestellt werden.
[0008] Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren in einer Verbrennungsanlage mit einem ersten
Zug, mit wenigstens einer Brennstoffzugabe zum Verbrennen eines Brennstoffs und mit
einem Wirbelbett. Sie ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluft
in einem von der Brennstoffzugabe separierten Bereich nach einer Umlenkung in einen
idealerweise abwärts durchströmten zweiten Zug zugeführt wird.
[0009] Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im
idealerweise abwärts durchströmten zweiten Zug weitere Luftzugaben erfolgen. Eine
günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gase vom
Wirbelbett in einen ersten Zug geleitet werden und dass die vollständige Verbrennung
in einem zweiten Zug erfolgt.
[0010] Eine günstige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass durch
die weitere Verbrennung die Temperatur auf über 750°C aufgeheizt wird.
[0011] Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielhaft beschrieben, wobei
Fig. 1 eine Variante der Erfindung und
Fig. 2 eine weitere Variante der Erfindung
Fig. 3 eine weitere Variante der Erfindung
darstellt.
[0012] In Fig. 1 ist eine Verbrennungsanlage auf Wirbelschichtbasis schematisch dargestellt,
bei der Bettmaterial wie Sand, Hochofenschlacke oder ähnliche Materialien in einem
Wirbelbett 2 durch Einblasung 9 mit Verbrennungsluft und wenn erforderlich durch Rezirkulationsgas
fluidisiert wird. Über eine oder mehrere Brennstoffaufgabestellen 1 wird der feste
Brennstoff in die Brennkammer des ersten Zuges 8 eingeworfen oder eingeblasen. Die
Brennkammer im ersten Zug 8 sowie die durch eine Umlenkung 3 von 90 bis idealerweise
180 Grad davon getrennte Brennkammer im zweiten Zug 5 können entweder durch Wasser
und /oder Dampf führende Rohrwände oder durch eine Blechkonstruktion gasdicht ausgeführt
sein. Die Wand kann durch Ausmauerung oder metallische Beschichtungen geschützt sein.
[0013] Der Brennstoff aus der Brennstoffaufgabe 1 wird im Wirbelbett 2 teilweise verbrannt,
wobei das Wirbelbett 2 typischerweise eine Temperatur von 600-750°C aufweist. Es sind
jedoch auch andere Temperaturprofile möglich.
[0014] Aus dem Wirbelbett treten Schwelgase und Produkte der unvollständigen Verbrennung
wie z.B.: CO, H2, CO2, H2O in die Brennkammer 8. Eine Ausgestaltung der Erfindung,
wie sie in Fig. 1 gezeigt ist weist mehrere Luftöffnungen für Stützluft 7 auf. Durch
diese Stützluft kann ein Teil des aus dem Wirbelbett 2 austretenden Gases verbrannt
werden und dadurch die Temperatur des Gases angehoben werden, um zu verhindern, dass
die Gastemperatur vor Erreichen der Sekundärluftzufuhr 4 unter die Zündtemperatur
des Gases fällt.
[0015] Das aus der Brennkammer des ersten Zuges austretende, brennbare Gasgemisch wird in
der Umlenkung 3 in den idealerweise abwärtsdurchströmten zweiten Zug 5 geleitet.
[0016] Durch Sekundärluft 4 erfolgt eine vollständige Verbrennung des aus der Umlenkung
3 austretenden Gases. Die Sekundärluft wird über Lanzen oder Düsen eingeblasen und
besteht typischerweise aus mehreren Luftzuführungen.
[0017] In einer anderen Ausführung der Erfindung gemäß Fig. 2 kann die Luftzugabe der Sekundärluft
auch über mehrere Ebenen verteilt erfolgen (4, 4a).
[0018] Nach der Sekundärluftzugabe hat das Verbrennungsgas typischerweise eine Temperatur
über 850°C oft sogar über 1000°C. Im idealerweise abwärtsdurchströmten zweiten Zug
5 der Brennkammer wird eine ausreichende Verweilzeit für einen hohen Ausbrand gewährleistet.
An den Wänden der idealerweise abwärtsdurchströmten Brennkammer können sich bedingt
durch die Brennstoffeigenschaften Schlackeansammlungen bilden. Diese lösen sich typischerweise
ab einer bestimmten Größe von der Wand ab oder werden durch Heizflächenreinigungseinrichtungen
abgelöst.
[0019] Im unteren Bereich der idealerweise abwärtsdurchströmten Brennkammer befindet sich
eine Schlackeaustragsöffnung 6 in welcher die Schlacke durch Gravitation oder durch
mechanische Austragsöffnungen entfernt wird. Nachdem das Rauchgas die Austragsöffnung
6 passiert hat wird es dem weiteren Prozess zur Energierückgewinnung- typischerweise
einem Dampfkessel mit Überhitzung, Verdampfer und/oder Economizer - zugeführt. Diese
Anlagenteile entsprechen dem Stand der Technik. Durch die vorhergehende Abscheidung
von Schlacke besteht auch keine Gefahr für die Verlegung von Überhitzer-, Verdampfer-
oder Economizerflächen.
[0020] In Fig. 3 ist eine ähnliche Ausführung der Erfindung beschrieben indem das Rauchgas
nach dem ersten Zug nur 90 Grad umgelenkt 3 wird. Der zweite Zug 5 ist damit horizontal
ausgeführt. Die Luftzugabe 4 bzw. 4a erfolgt ebenso im 2. Zug 5, der Ascheabzug 6
ist in diesem Fall ebenso unter dem horizontalen zweiten Zug angebracht. Nachteilig
bei einer derartigen Ausführung die schwierigere Durchmischung der Verbrennungsluft
4 bzw. 4a mit dem Rauchgas sowie die fehlende Abkühlmöglichkeit der Aschen und Schlacken,
die direkt nach der vollständigen Verbrennung in den Aschetrichter fallen und im 2.
Zug 5 nicht abkühlen können.
[0021] Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt. So kann z.B.
auch eine weitere Zugabe von beispielsweise flüssigen Brennstoffen erfolgen.
1. Verbrennungsanlage mit einem ersten Zug (8), mit wenigstens einer Brennstoffzugabe
(1) zum Verbrennen eines Brennstoffs und mit einem Wirbelbett (2), dadurch gekennzeichnet, dass in einem vom Wirbelbett (2) durch eine Umlenkung (3) separierten zweiten Zug (5)
eine Zufuhr für Sekundärluft (4, 4a) zur vollständigen Verbrennung angeordnet ist,
wobei die Umlenkung (3) 90 bis idealerweise 180 Grad ausgeführt ist.
2. Verbrennungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Zug (5) mindestens ein Abzug (6) für niedrig schmelzende Aschen und Schlacke
vorgesehen ist.
3. Verbrennungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass im idealerweise abwärts durchströmten zweiten Zug (5) weitere Luftzugaben (4a) vorgesehen
sind.
4. Verfahren in einer Verbrennungsanlage mit einem ersten Zug (8), mit wenigstens einer
Brennstoffzugabe (1) zum Verbrennen eines Brennstoffs und mit einem Wirbelbett (2),
dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluft (4, 4a) in einem von der Brennstoffzugabe (1) separierten Bereich
nach einer Umlenkung (3) zur vollständigen Verbrennung in einen zweiten Zug (5) zugeführt
wird, wobei das Rauchgas im zweiten Zug (5) horizontal bis idealerweise abwärts strömt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im idealerweise abwärts durchströmten zweiten Zug (5) weitere Luftzugaben (4a) erfolgen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die weitere Verbrennung die Temperatur auf über 750°C aufgeheizt wird.