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Dokumentenidentifikation DE102006027243A1 13.12.2007
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung halogen-salzinduzierter Korrosionen und Dioxin- sowie Furanemissionen in Verbrennungsanlagen
Anmelder CheMin GmbH, 86167 Augsburg, DE
Erfinder Krüger, Jörg, Dr., 92421 Schwandorf, DE;
Spiegel, Wolfgang, Dr., 86415 Mering, DE;
Jordan, Renate, Dr., 81667 München, DE;
Magel, Gabriele, Dr., 86157 Augsburg, DE
Vertreter Müller-Wolff, T., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 53115 Bonn
DE-Anmeldedatum 09.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006027243
Offenlegungstag 13.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse C01B 17/80(2006.01)A, F, I, 20060609, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F23M 13/00(2006.01)A, L, I, 20060609, B, H, DE   F23G 5/48(2006.01)A, L, I, 20060609, B, H, DE   
Zusammenfassung Das Patent betrifft ein Verfahren zur Reduzierung halogensalz-induzierter Korrosionen an den Heizflächen eines Verbrennungskessels und der de-Novo-Synthese von Dioxinen und Furanen, wobei in dem Feuerraum schwefelhaltige Produkte verbrannt werden und die schwefelhaltigen Produkte aus kristallinem oder amorphem Schwefel und/oder Schwefelkohlenstoff bestehen und die Verbrennung der schwefelhaltigen Produkte getrennt vor oder innerhalb der nachfolgenden Züge des Verbrennungskessels mit stöchiometrischem Sauerstoffüberschuss und äußerer Wärmezufuhr katalytisch zu SO3 erfolgt. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem als Injektor oder Druckzerstäuber ausgebildeten SO3-Brenner, der eine zentrische Leitung für ein sauerstoffhaltiges Trägermedium und eine konzentrisch hierzu angeordnete Leitung für ein pulverförmiges schwefelhaltiges Produkt aufweist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung halogensalzinduzierter Korrosionen an den Heizflächen eines Verbrennungskessels und der de-Novo-Synthese von Dioxinen und Furanen, wobei in dem Feuerraum schwefelhaltige Produkte verbrannt werden.

Ein Verfahren der vorgenannten Art wird in der EP 0435848 beschrieben. In weiteren Druckschriften wie den Patentschriften DE 101 31 464 B4, DE 198 02 274 C2 und EP 0406710 wird die Dosierung von Schwefel und schwefelhaltigen Verbindungen zur Minderung der Korrosionen und zur Reduzierung der Emissionen von C12, Dioxinen sowie Furanen genannt. Die Reduktion der Dioxinbildung wird nach DE 101 31 464 B4 auf die Reduktion der C12 Konzentration zurückgeführt.

Insbesondere in den Schriften EP 0435848 A1, DE 10131464 B4 und EP 0406710 A2 wird darauf hingewiesen, dass bei der Schwefeldosierung das molare Verhältnis von Schwefel zu Chlor im Abgas gleich oder vorteilhaft größer als 1 sein soll. Bei den genannten Verfahren erfolgt die Zugabe von Schwefel oder Schwefelverbindungen derart, dass es mit den im Brennstoff enthaltenen Bestandteilen zu SO2 oxidiert. Bei der Umwandlung wird als Zwischenprodukt auch SO3 erzeugt, das noch im Kessel nach der Griffin-Reaktion mit SO2 und Wasserdampf wieder zu HCl zurückgebildet wird. Gleichzeitig entsteht aus HCl und Sauerstoff elementares Chlor, das durch die Anwesenheit von SO2 an der de-Novo-Synthese gehindert werden soll.

Ursachen für verstärkte Korrosionen in Verbrennungsanlagen für Müll und Biostoffe

Mit dem zunehmenden Umweltbewusstsein und dem Anstieg der Kosten für fossile Brennstoffe werden neben Müll verstärkt Biomassen in Kesselanlagen zur Dampferzeugung genutzt.

Die thermische Verwertung von Biomasse wird wegen der CO2-Bewertung über die Verkaufserlöse des produzierten Stromes gefördert. Diese Biobrennstoffe werden unter anderem häufig aus Sperrmüll und Müll aussortiert. Es lässt sich somit nicht vermeiden, dass neben dem Holz andere Begleitstoffe wie zink- und bleihaltige Farben (Bleiweiß) sowie halogenhaltige, insbesondere chlorhaltige, Stoffe verbrannt werden. Die reinen Biostoffe enthalten unterschiedliche Konzentrationen an Alkalien wie Kalium und Natrium, die bei der Verbrennung zum größten Teil verdampfen.

Hinzu kommt die anspruchsvolle Verwertungsquote, die beim Automobilrecycling ab dem 01.01.2006 von der Altfahrzeug Verordnung gefordert wird. Laut dieser Vorschrift müssen 85% des Schredderrückstands der Altfahrzeugmasse verwertet werden, wobei von diesem Anteil 80% der Wiederverwendung oder stofflichen Verwertung zuzuführen ist. Bis jetzt wurde die bei der Verwertung von Altfahrzeugen oder Altgeräten anfallende Schredderleichtfraktion auf Deponien abgelagert. Es ist davon auszugehen, dass diese Fraktion zukünftig ebenfalls thermisch verwertet wird. Diese Schredderabfälle haben bezogen auf ihre Masse einen extrem hohen Anteil an Schwermetallen. Somit kommen sowohl in Kesseln zur Müllverbrennung als auch in Kesseln zur thermischen Nutzung von Biomassen erhebliche und stark schwankende Frachten an Schwermetall-, Alkali-, und Halogenverbindungen in die Verbrennung.

Die Tendenz zur Verdampfung oben genannter Bestandteile ist durch den Anstieg der Verbrennungstemperaturen in den letzten Jahren erheblich angestiegen. Für den Anstieg der Verbrennungstemperaturen können folgende Umstände getrennt für sich oder gemeinsam in Frage kommen.

Durch die in Europa gesetzlich vorgeschriebenen Regelungen zu den Mindestverbrennungsbedingungen wurden und werden zur Einhaltung der Mindesttemperatur von 850°C für 2 Sekunden Verweilzeit nach Zuführung der letzten Verbrennungsluft insgesamt geringe Luftüberschüsse angestrebt. Vor dem 20.08.2003 wurde durch nationale und europäische Regelungen sichergestellt, dass ein Mindestsauerstoffgehalt von 6 Vol% eingehalten werden musste, dies entspricht einem Luftüberschuss von ca. 50 %. Der Sollwert der geregelten Sauerstoffkonzentration musste wegen der praktisch erreichbaren Regelgenauigkeit zur Sicherstellung der Einhaltung der Mindestsauerstoffkonzentration von 6 auf ca. 8 Vol% eingestellt werden. Hierdurch lag der Rauchgasvolumenstrom ca. 1,7-fach über dem theoretisch notwendigen Rauchgasvolumenstrom. Dies stand den angestrebten hohen Verbrennungstemperaturen und dem erreichbaren Kesselwirkungsgrad entgegen. Weiterhin musste die Rauchgasreinigung für eben diese erhöhte Rauchgasmenge ausgelegt werden. Die EU-Richtlinie 200/76/EG folgte dieser grundsätzlich berechtigten Kritik und hob die Forderung nach dem Mindestsauerstoffgehalt auf.

Die Novellierung der 17. BlmSchV diente der Umsetzung der Anforderungen der EU-Richtlinie 2000/76/EG über die Verbrennung von Abfällen in nationales Recht. In dieser neuen Fassung der 17. BlmSchV wird die Einhaltung der Mindestsauerstoffkonzentration von 6 Vol% nicht mehr gefordert.

Als Folge dieser Entwicklung sind die Verbrennungstemperaturen angestiegen und die spezifischen Verbrennungsluft- sowie Rauchgasvolumina gefallen. Die Erkenntnis, dass mit dieser Entwicklung verstärkte Korrosionen und Ablagerungen einhergehen, kam sehr spät.

Der Kostendruck bei den Brennstoffen hat auch dazu geführt, dass die heizwertreichen Fraktionen aus dem Abfall aussortiert werden und beispielsweise bei der Kohleverbrennung zudosiert werden. Auch hier hat man erkennen müssen, dass die Korrosionsneigung der Rauchgase durch die Mitverbrennung von heizwertreichen, chlor- und schwermetallhaltigen Abfallfraktionen angestiegen ist.

Die Dioxinemissionen von Müllverbrennungsanlagen haben sehr lange die Diskussionen für das Für und Wider von Verbrennungsanlagen geprägt. Zwischenzeitlich können die Dioxine und Furane aus dem Rauchgas sicher abgeschieden werden, so dass dieser Typ von Verbrennungsanlagen umwelttechnisch gesehen eine Dioxin- und Furan-Senke ist. Durch eine gute Verbrennungsführung mit ausreichender Verweilzeit bei hohen Mindesttemperaturen werden praktisch alle über die Abfälle eingebrachten Dioxine und Furane zerstört. Man hat jedoch feststellen müssen, dass über eine de Novo Synthese im konvektiven Bereich des Kessels bei Rauchgastemperaturen zwischen 200 und 400°C neue Dioxine und Furane gebildet werden. Diese Bildung verläuft katalytisch an den Belägen der Heizflächen. Als katalytisch wirksame Verbindung wird CuO angenommen.

Korrosionsmechanismen

Bei dem Betrieb der Verbrennungsanlagen für Müll und Biostoffe sowie der Mitverbrennung von heizwertreichen, chlor- und schwermetallhaltigen Abfallfraktionen in Kohlekesseln hat man schnell erfahren müssen, dass die Korrosionsschäden an den Heizflächen der Kessel im Vergleich zu den rein kohlebefeuerten Kesseln bei wesentlich tieferen Temperaturen zu Betriebsstörungen und notwendigen Reparaturen führen. Dies hat dazu geführt, dass die Dampfparameter bei Kesseln von Verbrennungsanlagen für Müll und Biostoffe wesentlich moderater und damit aus thermodynamischer Sicht ungünstiger gewählt werden mussten. Während bei kohle- und ölbefeuerten Kesseln Dampfdrücke von deutlich über 100 bar und Überhitzungstemperaturen von über 500°C Stand der Technik sind, werden die meisten Abfallverbrennungsanlagen mit Dampfdrücken von ca. 40 bar und Überhitzungstemperaturen von ca. 400°C betrieben. Es wurden und werden Anlagen mit höheren Dampfparametern betrieben. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Aufwendungen zur Vermeidung der Korrosionen und die notwendigen Reparaturkosten diesem Streben nach höheren Dampfparametern und damit höheren Wirkungsgraden widersprechen können. Bei der Mitverbrennung der oben genannten Fraktionen mit Kohle sind Schadensformen aufgetreten, die vor der Mitverbrennung nicht bekannt waren.

Bei der Ursachenforschung der Korrosionsschäden hat man sich zunächst auf die möglicherweise schlechteren Verbrennungsbedingungen, die daraus resultierenden höheren CO-Konzentrationen und deren Reaktionen mit den Kesselstählen konzentriert. Man hat jedoch bald erkannt, dass eine wesentliche Ursache der Korrosionsschäden die Bildung von halogen-, schwefel-, alkali- und/oder erdalkalihaltigen Schwermetallmischsalzen ist. Diese Salze erreichen besonders tiefe eutektische Schmelztemperaturen, die bis in den Bereich von 230°C sinken können. Entsprechend hoch sind die Partialdrücke dieser Salze – insbesondere kann dies auch den Chlorpartialdruck betreffen – bei den üblichen Mediumstemperaturen der Kesselwerkstoffe (250-400°C). Diese Salze können die Kesselstähle sowohl in Form von Salzschmelzen schädigen, als auch auf dem Wege des Chlorpartialdrucks. Der Angriff durch Salzschmelzen wird als „salzschmelzeninduzierte Korrosion" bezeichnet. Der Angriff durch Chlorpartialdruck wird als „chlorinduzierte Hochtemperaturkorrosion" bezeichnet. Aufgrund der gegebenen Zusammensetzung der Brennstoffe – z. B. chlorhaltige Abfälle, belastete Hölzer etc. – sowie aufgrund der hohen Verbrennungstemperaturen ist die Bildung dieser Schwermetallmischsalze nicht zu verhindern.

Bei der Verbrennung von schwefelhaltigen und ggf. auch salzhaltigen Kohlen sind grundsätzlich gleichartige chemische Verbindungen zu erwarten. Der wesentliche Unterschied liegt darin, dass die schwefelreichen Schwermetallmischsalze erst bei deutlich höheren Temperaturen über 400°C zur Bildung von eutektischen Schmelzen neigen und damit erst bei deutlich höheren Temperaturen zu Schädigung der Kesselstähle führen.

Nachdem dieser Zusammenhang erkannt und zugleich festgestellt wurde, dass bei gleichzeitigem Vorliegen von Schwefel und Chlor im Brennstoff die gebildeten Mischsalze im wesentlichen Schwefel enthielten, wurden entsprechende Versuche durchgeführt, bei denen den Abfällen hoch schwefelhaltige Kohle zugesetzt wurde. Diese Versuche waren hinsichtlich der Minderung der Korrosionsneigung erfolgreich. Bei den Versuchen wurde zusätzlich erkannt, dass die Dioxinkonzentrationen im Rohgas bei Einsatz schwefelhaltiger Kohle gefallen sind und dass die katalytischen Eigenschaften der Beläge für die de Novo Synthese von Dioxin durch Schwefelverbindungen (Oxide oder Sulfide) vergiftet wurde (EP 0435848 A1).

Da mit dem zugesetzten Anteil der schwefelhaltigen Kohle die Verbrennungsleistung des Abfalls abfiel und in der Abgasreinigung zusätzlich entsprechende Produkte zur Schwefeldioxidabscheidung eingesetzt werden mussten, konnte sich das Verfahren nicht durchsetzen.

In der Anmeldung EP 0435848 A1 wird das Verhältnis im Bereich von 0,8 bis 1,5 genannt. Zusätzlich wird in der Schrift DE 101 31 464 B4 noch darauf hingewiesen, dass die Dosierung so gewählt werden sollte, dass am Austritt des Kessels zumindest 1000 mg/Nm3 SO2 vorliegen sollte.

Die bisher in Bezug auf die Chlorkonzentrationen angestrebten höheren molaren Konzentrationen von Schwefel und die dafür notwendige Dosierung von Schwefel bzw. schwefelhaltigen Verbindungen erfordern in der Rauchgasreinigung entsprechend hohen Aufwand hinsichtlich der Neutralisation.

Ferner ist zu berücksichtigen, dass bei der oben beschriebenen Mitverbrennung von heizwertreichen, chlor- und schwermetallhaltigen Abfallfraktionen in Kohlekesseln Korrosionen beobachtet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzubieten, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet, die de-Novo-Synthese von Dioxinen hemmt und die halogensalz-induzierte Korrosion von Wärmetauscherflächen verringert.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, die Emission von Schwermetallverbindungen zu reduzieren und eine unproblematische und kostengünstige Verbrennung von halogen- und metallbelasteten Abfällen bereitzustellen.

Es wurde daher auf Basis der oben genannten Erkenntnisse nach einem Verfahren und einer Vorrichtung gesucht, das die auf den Wärmetauscherflächen abgelagerten halogenreichen Schwermetallmischsalzen bevorzugt in Sulfate umwandelt, die Neubildung von Dioxinen und Furanen so weit wie möglich verhindert und zugleich die zusätzliche Zuführung an schwefelhaltigen Hilfs- oder Brennstoffen sowie eine zusätzliche Belastung der Rauchgasreinigung und Aufwendungen zur Neutralisation der Schwefeloxide auf ein Minimum reduziert.

Es sollten dabei schwefelhaltige Produkte so verbrannt werden, dass ein maximaler Anteil an Schwefeltrioxid entsteht. Diese Reaktion kann erzwungen werden, wenn z. B. feindispergierter elementarer Schwefel über eine geeignete Vorrichtung mit Luft angesaugt, mit dieser in den Feuerraum eingeblasen und mit hohem Luftüberschuss bei erhöhten Temperaturen verbrannt wird. Drei hierfür geeignete typische Vorrichtungen werden im folgenden als SO3-Brenner bezeichnet und beschrieben.

Es wird nicht angestrebt, die gesamte Chloridfracht im Rauchgas über die Sulfatisierung zu verändern. Es sollen nur die ruhenden Beläge an den Wänden durch vergleichsweise geringe SO3-Konzentrationen sulfatisiert werden.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 6 gelöst. Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Die Ergebnisse hinsichtlich der verstärkten Korrosionsneigung wurden auch durch Versuche nach Umstellung der Anfahr- und Stützbrenner einer Abfallverbrennungsanlage von schwerem Heizöl (ca. 2%S) auf Heizöl El (<0,2%S) bestätigt.

Die Erfinder haben erkannt, dass nach den Reaktionsmechanismen und der Reaktivität der beteiligten Gase Cl2, SO2 und SO3 der SO3 -Anteil bevorzugt das Cl aus den entsprechenden Salzen austreibt und dass bei der üblichen Verbrennung von schwefelhaltiger Kohle nur ein geringer Anteil des Schwefels zu SO3 oxidiert. Somit kamen die Erfinder zu dem überraschenden Ergebnis, dass das Verfahren mit Zugabe schwefelhaltiger Kohle nur unter bestimmten Bedingungen wirtschaftlich betrieben werden kann. Die Zugabe an Schwefel bzw. Kohle muss bei Berücksichtigung der im Stand der Technik genannten Anteile 20 bis 100-fach höher sein, als das für die von den Erfindern angestrebte Reaktion notwendig ist.

Konstruktive und betriebliche Schutzmaßnahmen

Es wurden in den unterschiedlichen Kesselbereichen geeignete Schutzmaßnahmen entwickelt, die mit Ausnahme der Überhitzerbereiche ausreichende Standzeiten gestatten.

Zum Schutz der warmfesten Stähle gegen diese aggressiven Gase wurden diese mit unterschiedlichen Erfolgen im Bereich der Rauchgastemperaturen bis zu 800°C mit Feuerfestzustellungen geschützt. Man hat jedoch sehr schnell erfahren müssen, dass viele dieser Produkte von Dämpfen (z.B. ZnCl2) durchdrungen werden und unter den Zustellungen Korrosionsschäden an den Heizflächen verursachen. Einen großen Vorteil brachten die dichten nitridgebundenen SiC-Platten und vergleichbare Produkte, die mit geeigneten Massen vor den Heizflächen installiert sind.

Bei Heizflächen, die mit tieferen Rauchgastemperaturen im Bereich zwischen 1000 und 700°C angeströmt werden, hat sich der Einsatz von Auftragschweißungen mit Nickelbasisiegierungen bewährt. Diese Verfahren wurden als Auftragsschweißung oder unter dem Begriff Cladding mit z. B. Alloy 625 bekannt. Alternativ werden auch Compoundrohre aus druckfesten wasser- und dampfführenden ferritischen Kesselrohren, die bei der Herstellung mit einem austenitischen Rohrmantel (Vollmaterial) überzogen werden, eingesetzt. Der Einsatz thermischer Spritzschichten wird erprobt und einige Schichtsysteme haben den technischen Stand von Prototypen erreicht, an denen weiter entwickelt wird.

Das Aufbringen dieser Schutzschichten ist sehr aufwändig. Die Standzeiten sind in Abhängigkeit der Qualität der Schweißung, der Belastung aus dem Rauchgas und dem Temperaturregime begrenzt.

Beschreibung eines typischen Verbrennungskessels mit den erfindungsgemäßen SO3-Brennern.

Das beschriebene Verfahren und die vorgeschlagenen Vorrichtungen sind grundsätzlich in allen Typen von Rost, Wirbelschicht, Staubbrenner und alternativ befeuerten Verbrennungskesseln geeignet.

In der 1 ist ein typischer Verbrennungskessel mit einem Feuerraum (1), dem ersten Strahlungszug (2), dem zweiten Strahlungszug (3) und dem dritten Strahlungszug (4) sowie einem konvektiven Zug (5) dargestellt. Der Feuerraum (1) ist im Wesentlichen begrenzt durch den Zuteiler (6), die Zünddecke (7), die Ausbranddecke (8) und die Seitenwände des Feuerraums (9). Die Brennstoffzufuhr erfolgt über die Müllzufuhr (10) und den Zuteiler (6). Die Verbrennung erfolgt auf dem Verbrennungsrost (11). Die ausgebrannte Schlacke fällt nach dem Rost (11) in den Schlackefallschacht (12) zum Entschlacker. Die Primärluft (13) wird durch den Rost (11) zugeführt: Die Sekundärluft (14) dient der Vermischung und dem sichereren Ausbrand der Gase vor dem Eintritt in den ersten Strahlungszug (2). Über der Sekundärlufteindüsung (14) sind die Anfahr- und Stützbrenner (24) installiert

Die Wände des ersten Strahlungszuges können zur Einhaltung der Mindestverbrennungsbedingungen und zum Schutz der Heizflächen gegen Korrosionen im unteren Bereich mit Feuerfestzustellung (15) zugestellt sein.

Die Membranwände (29) über der Feuerfestzustellung (15) im ersten Strahlungszug (2) und zum Teil im zweiten Strahlungszug (3) können mit einer Aufschweißung aus Nickelbasislegierungen (17) gegen Korrosionen geschützt werden. Danach sind bei den üblichen Siedewassertemperaturen von 240 bis 320°C und den abgesenkten Rauchgastemperaturen üblicherweise keine Korrosionsschutzmaßnahmen im unteren Teil des zweiten Zuges (3) und dem dritten Zug (4) erforderlich.

Die Rauchgase kühlen sich üblicherweise vom Eintritt (18) in den ersten Zug (2) mit 1000–1300°C bis zum Verlassen des dritten Zuges (4) auf 450–650°C ab und treten mit diesen Temperaturen in den konvektiven Zug (5) ein. Im konvektiven Zug (5) kühlen sich die Rauchgase an einem Schutzverdampfer (19), an Überhitzern (20), Verdampfern (21) und Economisern (22) auf 180–230°C ab und verlassen den Kessel durch den Abgaskanal (23).

Im Bereich (16) bildeten sich bisher in den Belägen auf katalytischem Weg neue Dioxine und Furane (De Novo Synthese), die nunmehr durch Deaktivierung des Katalysators unterbunden werden.

Der erfindungsgemäße SO3-Brenner (26) kann grundsätzlich in allen Bereichen des Kessels angeordnet werden. Er bringt aber besondere Vorteile in Verbindung mit einer Einleitung im Bereich der Sekundärluftdüsen.

In der beispielhaft gewählten Darstellung in 1 ist der SO3-Brenner (26) in der Membranwand des ersten Zuges (2) etwa in der Höhe der Anfahr- und Stützbrenner (24) angeordnet. Damit wird sichergestellt, dass die schwefelhaltigen Produkte bereits im Anfahrbetrieb sicher gezündet und mit Überschuss an Sauerstoff zu einem möglichst hohen SO3-Umsatz verbrannt werden. Der SO3-Brenner (26) ist mit der Kesseldeckentemperatur (25) und/oder den Anfahr- und Stützbrennern (24) sicherheitstechnisch so verriegelt, dass eine Zündung des schwefelhaltigen Brennstoffes sichergestellt ist. Durch die Anordnung des SO3-Brenners (26) mit der SO3-Flammentwicklung (32) im Bereich einer hohen Turbulenz oberhalb der zur Vermischung vorgesehenen Sekundärluftdüsen ist eine gute Vermischung der SO3 Gase in den Rauchgasen des Kessels sichergestellt.

In den 2 und 3 werden die SO3-Brenner mit und ohne integriertem Katalysator dargestellt, der nachfolgend auch als Katalysatorstrecke bezeichnet wird.

Die Dosierung der schwefelhaltigen Brennstoffe konzentrisch in den Sekundärluftdüsen ist in der 4 skizziert. Auch in dieser Variante ist zunächst der Überschuss an Sauerstoff und danach die Vermischung mit den Rauchgasen sichergestellt. Dieses Verfahren kann allerdings nicht im Anfahrbetrieb der Anlage, sondern nur bei normalem Betrieb der Anlage genutzt werden, da nur dann im Außenbereich des Freistrahls der Sekundärluft für die Zündung und direkte Verbrennung des Schwefels zum SO3 die notwendige hohe Temperatur durch die Strahlung sichergestellt ist.

In der 2 wird der SO3-Brenner (26) als Prinzipskizze in der Einbaulage in der Membranwand (30) dargestellt. In diesem Beispiel wird ein Staubbrenner dargestellt.

Bei der Dimensionierung des SO3-Brenners ist die Isolation (31) und die Feuerfestzustellung (15) der Membranwand zu berücksichtigen. Der SO3-Brenner wird über entsprechend dimensionierte Anschlüsse mit einem sauerstoffhaltigen Treibmedium (27) und mit schwefelhaltigem Brennstoff (29) versorgt. Die Düse für das Treibmedium (28) ist zentrisch im Brenner 26 installiert. Zum Schutz gegen die widrigen Bedingungen wird um den SO3-Brenner eine Schutzhülse (33) installiert, die mit Spül- und Kühlluft (34) versorgt wird.

In der 3 wird der SO3-Brenner (26) mit integriertem Katalysator (38) als Prinzipskizze in der Einbaulage in der Membranwand (30) dargestellt. In diesem Beispiel wird ein Staubbrenner mit integriertem Katalysator (38) dargestellt. Als katalytisch wirksames Material für den Katalysator (38) wird vorzugsweise Platin genutzt. Bei der Dimensionierung des SO3-Brenners ist die Isolation (31) und die Feuerfestzustellung (15) der Membranwand zu berücksichtigen. Der SO3-Brenner wird über entsprechend dimensionierte Anschlüsse mit einem sauerstoffhaltigen Treibmedium (27) und mit schwefelhaltigem Brennstoff (29) versorgt. Die Düse für das Treibmedium (28) ist zentrisch im Brenner (26) installiert. Zusätzlich ist ein Zünd- und Stützbrenner (35) mit einer Sauerstoffversorgung (36) und Brenngasversorgung (37) Installiert, um Zündung und sichere Verbrennung des schwefelhaltigen Produktes sicherzustellen. Zum Schutz gegen die widrigen Bedingungen wird um den SO3 Brenner eine Schutzhülse (33) installiert, die mit Spül- und Kühlluft (34) versorgt wird.

In der 4 wird die erfindungsgemäße Vorrichtung konzentrisch in einer Sekundärluftdüse (14) dargestellt. Die Düse ist in der Zündnase (40), dem Übergangbereich von der Kesselwand des 1. Zuges (2) und der Zünddecke (7) installiert. Die Sekundärluftdüse wird über die Sekundärluftzuführleitung (41) mit Luft versorgt. Durch die Verbrennung der Gase aus der Feuerung mit der Sekundärluft bildet sich die äußere Flammfront (44) aus. Erfindungsgemäß wird konzentrisch in der Sekundärluftdüse (14) das Zuführrohr (42) für die zu verbrennenden schwefelhaltigen Substanzen installiert. Die Zuführung schwefelhaltiger Substanzen (43) erfolgt in das Zuführrohr (42). Direkt vor dem Zuführrohr (42) bildet sich die innere Flammfront (45) aus. Die Zündung und Beheizung der Schwefelverbrennung mit der Ausbildung der inneren Flammfront (45) erfolgt durch die äußere Flammfront (44).

Um bei einem Kessel mittlerer Größe mit einer Rauchgasmenge von 70.000 Nm3/h bilanztechnisch eine SO3-Konzentration von 50 mg/Nm3 einzustellen, wird bei vollständigen Umsatz eine Menge von 1,4 kg/h elementarer Schwefel benötigt. Der stöchiometrische Sauerstoffbedarf errechnet sich zu 1,5 Nm3/h entsprechend einer Luftmenge von 7 Nm3/h. Diese Volumenströme sind bezogen auf die Rauchgasmenge von 70000 m3/h so gering, dass auch ein 10-facher Luftüberschuss im Abgas des Kessels kaum messbar sein dürfte. Diese SO3 Fracht wird praktisch eine äquivalente Menge an Cl freisetzen und über diesen Weg einen zusätzlichen Kalkhydratverbrauch von 3,3 kg/h verursachen. Die zu entsorgende Neutralisationsmenge beträgt bei stöchiometrischer Reaktion und Einsatz von Calciumhydroxid 4,8 kg/h Calciumchlorid.

Vergleichsbeispiel

Nimmt man den in der Patentschrift DE 10131464 B4 angestrebten SO2-Überschuss von 1000 mg/m3 im Rohgas als Größenordnung für eine Vergleichsrechnung mit gleichem Volumenstrom an, so benötigt man hierfür 35 kg/h elementaren Schwefel und bei stöchiometrischer Neutralisation in der Rauchgasreinigung 81 kg/h Calciumhydroxid. Die zu entsorgende Sulfit- oder Sulfatmenge beträgt 131 bzw. 149 kg/h.

Für eine Konversionsrate von 2% ist die notwendige SO2-Konzentration mit 2500 mg/Nm3 um ca. 50-fach höher. Entsprechend höher sind auch die einzubringende Schwefel- und Calciumhydratfracht sowie die zusätzlich zu entsorgende Reststoffmenge. Wollte man bei gleicher Rauchgasmenge die gleiche SO3-Konzentration von 50 mg/Nm3 mit schwerem Heizöl (2% S) und gleicher Konversionsrate von 2% erreichen, müsste man dafür ca. 5600 l/h Öl verbrennen und würde dabei die zulässige Dampfleistung des Kessels massiv überschreiten.

Beschreibung zur Figur 1
1
Feuerraum
2
erster Strahlungszug
3
zweiter Strahlungszug
4
dritter Strahlungszug
5
konvektiver Zug
6
Zuteiler
7
Zünddecke
8
Ausbranddecke
9
Seitenwände des Feuerraums
10
Müllzufuhr
11
Verbrennungsrost
12
Schlackefallschacht
13
Primärluft
14
Sekundärluft
15
Feuerfestzustellung im ersten Zug
16
Bereich für die de Novo Synthese
17
austenitische Aufschweißung
18
Eintritt in den ersten Zug
19
Schutzverdampfer
20
Überhitzer
21
Verdampfer
22
Economiser
23
Abgaskanal
24
Anfahr- und Stützbrenner
25
Kesseldecktemperatur
26
erfindungsgemäßer SO3 Brenner
Beschreibung zur Fig. 2 (SO3 Brenner ohne Kat)
26
erfindungsgemäßer SO3-Brenner
27
sauerstoffhaltiges Treibmedium
28
Düse für Treibmedium
29
schwefelhaltiges Produkt
30
Membranwand
31
Isolation
32
SO3-Flammentwicklung
33
Schutzhülse
34
Spül- und Kühlluft
Beschreibung zur Figur 3 (SO3 Brenner mit Kat)
26
erfindungsgemäßer SO3-Brenner
27
sauerstoffhaltiges Treibmedium
28
Düse für Treibmedium
29
schwefelhaltiges Produkt
30
Membranwand
31
Isolation
32
SO3-Gas
33
Schutzhülse
34
Spül- und Kühlluft
35
SO3 Zünd- und Stützbrenner
36
Sauerstoffversorgung
37
Brenngasversorgung
38
katalytische Reaktionsstrecke
Beschreibung zur Fig. 4
40
Zündnase
41
Sekundärluftzuführleitung
42
Zuführrohr
43
Zuführung schwefelhaltiger Substanzen
44
äußere Flammfront
45
innere Flammfront


Anspruch[de]
Verfahren zur Reduzierung halogensalz-induzierter Korrosionen an den Heizflächen eines Verbrennungskessels und der de-Novo-Synthese von Dioxinen und Furanen, wobei in dem Feuerraum schwefelhaltige Produkte verbrannt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die schwefelhaltigen Produkte aus kristallinem oder amorphem Schwefel und/oder Schwefelkohlenstoff bestehen, und die Verbrennung der schwefelhaltigen Produkte getrennt vor oder innerhalb der nachfolgenden Züge des Verbrennungskessels mit stöchiometrischem Sauerstoffüberschuss und äußerer Wärmezufuhr katalytisch zu SO3 erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die korrosiv oder katalytisch wirksamen Bestandteile in den sich an den Wänden der Wärmetauscher niederschlagenden Belegen durch die Zugabe von pulverförmigen schwefelhaltigen Produkten deaktiviert werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Katalysator mindestens eines der folgenden Materialien eingesetzt wird: Platin, Vanadiumpentoxid und die katalytisch wirksamen Gase NOx und Wasserdampf. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sauerstoffträger Luft oder sauerstoffangereicherte Luft eingesetzt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Vermischung des Rauchgases des Verbrennungskessels mit SO3 eine SO3 Konzentration von 10-100 mg pro Nm3 Rauchgas eingestellt wird. Vorrichtung zur Reduzierung halogensalz-induzierter Korrosionen an den Heizflächen eines Verbrennungskessels und der de-Novo-Synthese von Dioxinen und Furanen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus einem als Injektor oder Druckzerstäuber ausgebildeten SO3-Brenner besteht, der eine zentrische Leitung für ein sauerstoffhaltiges Trägermedium und eine konzentrisch hierzu angeordnete Leitung für ein pulverförmiges schwefelhaltiges Produkt aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der SO3-Brenner einen Zünd- und Stützbrenner und eine nachgeschaltete katalytische Reaktionsstrecke aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der SO3-Brenner in den Wänden des Feuerraums und/oder der nachfolgenden Züge angeordnet ist, wobei um den Mündungsbereich des SO3-Brenners eine Schutzhülse installiert ist, die mit Spül- und Kühlluft versorgt wird. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der SO-Brenner im Bereich einer oder mehrerer Sekundärluftdüsen installiert ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Sicherstellung der SO3-Bildung der SO3-Brenner mit einem Zuführrohr für schwefelhaltige Produkte im Bereich des Sekundärluftfreistrahles mündet.






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