Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von Abfallmaterial unter Gewinnung von thermischer Energie gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es sind Verfahren und Abfallverbrennungsanlagen dieser Art bekannt, bei welchen die Feuerung, z.B. eine Rostfeuerung, mit einer stochiometrisch zur vollständigen Verbrennung der Abfallmaterialien benötigten Luftmenge oder sogar mit einem Luftüberschuss betrieben wird.

Infolge räumlicher Ungleichverteilungen dieser Primärluft¬ zufuhr ist es fast unvermeidlich, die Feuerung mit einem relativ grossen Sauerstoffüberschuss zu betreiben. Nur so kann ein vollständiger Ausbrand der in die Feuerung einge¬ brachten Abfallmaterialien sichergestellt werden. So sollte z.B. die Schlacke aus einer Rostfeuerung für Abfallstoffe nur noch 3 Gew.% flüchtige Substanzen (gemessen als Glühverlust bei 550°C) enthalten.

Auch rauchgasseitig verlässt ein Teil der Substanzen die Feuerung unverbrannt. Diese unverbrannten Gase und Fest¬ stoffpartikel entstehen ebenfalls infolge räumlicher Ungleichverteilungen der Primärluftzufuhr und mangelnder Rauchgasdurchmischung im Feuerungsraum und verlassen den Feuerungsraum in Form von Strähnen. Diese Substanzen müssen in einer Nachbrennkammer nachverbrannt werden. Bis jetzt war es üblich, zur Unterstützung der Nachverbrennung und insbesondere zur Verbesserung der Quervermischung der Rauchgase zusätzliche Verbrennungsluft, sogenannte Sekundärluf in die Nachbrennkammer einzubringen.

Infolge schlechter Quervermischung muss, um den vom Geset vorgeschriebenen Ausbrand der Rauchgase zu gewährleisten eine verhältnismässig lange Verweilzeit der Rauchgase i der Nachbrennkammer sichergestellt und eine relativ gross Sekundärluftmenge zugemischt werden. Dies resultiert i einem sehr grossen Bauvolumen der Nachbrennkammer und eine vergrösserten Bauvolumen der nachgeschalteten Apparate, wi z.B. Kessel zur Wärmerückgewinnung und Gasreinigungsein richtungen, da der Gesamtvolumenstrom durch die Zugabe vo Sekundärluft vergrössert wird. Auch verkleinert dies de Kesselwirkungsgrad und damit den erreichbaren elektrische Wirkungsgrad der Verbrennungsanlage, da eine vergrössert Rauchgasmenge auch grössere Abgas-Wärmeverluste bedeutet Für den Kessel ergibt sich ebenfalls ein sehr grosses Bau volumen, da der Wärmeübergang vom heissen Rauchgas an di Kühlflächen insbesondere im Strahlungsteil des Kessel verhältnismässig schlecht ist.

Ein schwerwiegendes Problem bei der Verbrennung vo Abfallstoffen sind zudem die korrosiven Rauchgase, die z Korrosionsproblemen im Kesselteil führen. Diese trete bevorzugt an den heissesten Wärmeübertragungsflächen, d.h an den Überhitzerheizflächen auf. Dabei gibt es zwe hauptsächliche Mechanismen: Der eine ist die direkt Hochtemperaturkorrosion der Wärmeübertragungsflächen durc korrosive Substanzen im Rauchgas, ^* der andere di Belagsbildung auf den Wärmeübertragungsflächen durc klebrige, korrosive Substanzen enthaltende Flugasche au der Feuerung mit starker Korrosion unter diesen Belägen Diese starken Korrosionserscheinungen an heissen Wärme übertragungsflächen beschränken die erreichbaren Dampf temperaturen und damit, falls der Dampf zur Stromerzeugun genutzt wird, den elektrischen Wirkungsgrad der Verbren

nungsanlage. Zudem führen sie zu periodischen Stillständen der Anlage und aufwendigen Kesselrevisionen mit grossem Aufwand zur Entfernung der Beläge auf den Wärmeüber¬ tragungsflächen.

Ein weiteres Problem bei der Verbrennung von Materialien ist die Entstehung von Stickoxiden. Diese können aus Gründen des Umweltschutzes nicht frei an die Umgebung abgegeben werden. Es sind bereits mehrere Verfahren bekannt, so z.B. das SNCR-Verfahren (Selective Noncatalytic Reduction Process), siehe US-PS 3,970,739, bei welchen Stickoxide in Rauchgasen durch Einsprühen einer Ammoniak¬ lösung oder anderer geeigneter Reduktionsmittel, in Gegen¬ wart des ohnehin vorhandenen Sauerstoffs, zu Stickstoff reduziert werden. Das Ammoniak wird dazu üblicherweise an geeigneter Stelle in den Rauchgasstrom eingeleitet. Dabei spielt die Rauchgastemperatur an der Einleitstelle eine grosse Rolle. Sie muss zwischen 700°C und 1100°C liegen. Bei zu niedriger Rauchgastemperatur wird ein grosser Ammoniakuberschuss benötigt. Das nichtreagierte Ammoniak im Rauchgas wird als Schlupf bezeichnet und stellt eine Umweltbelastung dar. Bei zu hoher Temperatur verbrennt ein Teil des Ammoniaks. In beiden Fällen ist die benötigte Ammoniakmenge unnötig hoch. Entlang des Rauchgasweges durch Nachbrennkammer und Kessel nimmt die Temperatur der Rauch¬ gase kontinuierlich ab. Das Ammoniak wird an der Stelle optimaler Rauchgastemperatur eingeleitet. Dabei stellt sich jedoch das Problem, dass das Rauchgastemperaturprofil vom Betriebszustand der Anlage und vom verbrannten Abfall¬ material abhängt. Das bedeutet, dass auch die Lage der optimalen Einleitstelle vom Betriebszustand der Feuerung abhängt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ei effizienteres Verfahren der eingangs genannten Art vorzu schlagen, das eine Beherrschung des Temperaturprofil erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsge äss durch die im Kenn zeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Eine Verwendung einer zirkulierenden Wirbelschicht zu Nachverbrennung und Reinigung von brennbaren Bestandteil enthaltenden Prozessabgasen in der Metallurgie, w verhältnismässig wenig brennbare Gase anfallen, ist aus de DE-OS 33 07 848 bekannt. Neben dem Prozessgas als Fluidisiergas wird bei diesem Verfahren zusätzlich ein sauerstoffhaltiges Verbrennungsgas getrennt in die Wirbel¬ schicht eingeleitet. Für eine Abfallverbrennung wäre dieses Verfahren unvorteilhaft, da sich dadurch wiederum der Rauchgasstrom mit allen negativen Folgen vergrössern würde.

Die WO-A-95/00804 lehrt, einer Verbrennung von Feststoffen in einer Verbrennungskammer zwei aufeinanderfolgende Nach¬ verbrennungen nachzuschalten. Dabei findet die erste Nach¬ verbrennung unter Zuführung einer stöchiometrischen Menge von Sekundärluft in einem Wirbelschichtreaktor in Form eines Steigrohres statt. Zur Verbesserung der Nachver¬ brennung bzw. zur vollständigen Verbrennung der Gase wird die zweite Nachverbrennung in einem dem Steigrohr nach¬ geschalteten Zyklon durchgeführt.

Aus der WO-A-88/05144 ist es bekannt, einer Verbrennung eine zusätzliche Hilfsverbrennung nachzuschalten, die in einem Wirbelschichtreaktor unter Einspritzung zusätzlichen Brennstoffes erfolgt, um eine optimale Temperatur für eine

Gasreinigung, insbesonere eine Entschwefelung, einzustel¬ len. In diesem Reaktor findet keine Wärmeabfuhr, sondern nur die Gasreinigung statt.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile sind insbeson¬ dere darin zu sehen, dass der rezirkulierte Feststoff eine sehr homogene Temperaturverteilung in der Nachbrennkammer bewirkt. Dies schafft optimale und einheitliche Reaktions¬ bedingungen für die Nachverbrennung.

Die Erfindung bringt weitere Vorteile mit sich.

Erstens bewirkt der nun mögliche Verzicht auf Sekundär- Sauerstoffzugäbe einerseits eine Verringerung des Bau¬ volumens, andererseits einen kleineren Abgasvolumenstrom und damit einen besseren Kessel-Wirkungsgrad, da der Abgas- Wärmeverlust kleiner wird.

Zweitens ermöglicht die zirkulierende Wirbelschicht eine sehr effiziente Kühlung der in die Nachbrennkammer eintre¬ tenden heissen Rauchgase dadurch, dass die Rauchgase in der Wirbelschicht in Kontakt mit kälteren Feststoffpartikeln gebracht werden, und erst diese Partikel dann in Kontakt mit den Wärmeübertragungsflächen gebracht werden. Infolge der hohen Effizienz des Wärmeaustausches zwischen Partikeln und Rauchgasen werden die Rauchgase nach dem Eintritt in die Nachbrennkammer schlagartig auf die in der Nachbrenn¬ kammer herrschende Mischtemperatur abgekühlt. Grossflächige Strahlungsheizflächen in der Nachbrennkammer entfallen da¬ her. Da die Gas-Feststoff-Strömung im Wirbelbettreaktor einen viel besseren Wärmeübergang aufweist als eine Gas¬ strömung, kann die Grosse der Wärmeübergangsflächen und damit das Bauvolumen des Kessels stark verkleinert werden.

Drittens ermöglicht die Ausgestaltung der Nachbrennkamme als zirkulierende Wirbelschicht eine Lösung der Korro sionsprobleme.

Einerseits verhindert die errosive Wirkung der Gas-Fest stoff-Strömung das Entstehen von korrosiven Belägen auf de Wärmeübertragungsflächen in der Wirbelschicht. Andererseit verbinden sich in die Nachbrennkammer eingetragene klebrig Flugstäube bereits mit dem in der Nachbrennkammer zirku lierenden Feststoff bevor sie in Kontakt mit den Wärme übertragungsflächen kommen. Der Übergang zu höheren Dampf temperaturen wird erst durch ein weiteres Merkmal de Erfindung ermöglicht: Ein Teil der Wärmeübertragungsfläch wird aus dem Rauchgasweg ausgelagert in einen externe Fliessbettkühler. Die Feststoffpartikel dienen al Zwischenmedium zur Wärmeübertragung aus der Nachbrennkamme in den Fliessbettkühler: Ein Teil des in der Nachbrenn kammer zirkulierenden Feststoffes wird in den Fliessbett kühler geleitet. Der gekühlte Feststoff aus dem Fliessbett kühler wird in die Nachbrennkammer zurückgefördert, wo e Wärme aus dem Rauchgasstrom aufnimmt. Im Sinne der Erfin dung werden im Fliessbettkühler, also ausserhalb des Rauch gasweges, die am stärksten von Korrosion betroffene Wärmeübertragungsflächen angeordnet. Dies sind di heissesten Wärmeübertragungsflächen, also die Überhitzer flächen. Dadurch wird eine weitere starke Verringerung de Korrosionsrate erreicht. Der nunmehr mögliche Übergang z höheren Dampftemperaturen verbessert den elektrische Wirkungsgrad der Verbrennungsanlage erheblich. Gleichzeiti verringern diese Massnahmen infolge der verringerte Tendenz zu Anbackungen und Korrosion den Revisonsaufwand und erhöhen damit die Verfügbarkeit der Anlage.

Viertens ermöglicht die Ausgestaltung der Nachbrennkammer als zirkulierende Wibelschicht eine Lösung des Problemes der Wahl der Ammoniak-Einleitstelle für die Rauchgasent- stickung. Die zirkulierende Wirbelschicht zeichnet sich neben der Temperaturkonstanz auch durch ein gutes Tempera¬ turregelverhalten aus. So kann z.B. der in den Fliessbett¬ kühler umgeleitete Feststoffmengenstrom geregelt werden. Dies erlaubt eine Regelung des aus der Nachbrennkammer abgeführten Wärmestroms und damit eine genaue Regelung der Temperatur in der Nachbrennkammer unabhängig vom Betriebs¬ zustand der Feuerung. Dadurch kann eine feste Ammoniak- Einleitstelle gewählt werden, da das Rauchgastemperatur¬ profil in Nachbrennkammer und Kessel nicht mehr vom Betriebszustand der Feuerung abhängt. Dies ermöglicht zudem eine Minimierung des Ammoniakverbrauchs zur Stickoxid¬ minderung durch Wahl einer optimalen Temperatur in der Nachbrennkammer und dies unabhängig vom Betriebszustand der Feuerung.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläu¬ tert.

Drei Varianten des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Fliesschema einer ersten Verfahrensvariante;

Fig. 2 ein Fliesschema einer zweiten Verfahrensvariante;

Fig. 3 ein Fliesschema einer dritten Verfahrensvariante.

In Fig. 1 bis 3 ist mit 1 ein Feuerungsraum einer an sic bekannten Abfallverbrennungsanlage bezeichnet, in welche das Abfallmaterial in bekannter Weise beispielsweise au einem Rost unter Zuführung von Verbrennungsluft, auc Primärluft genannt, dem Verbrennungsprozess unterzoge wird. Die Primärluf zufuhr ist mit 2 bezeichnet. Vorzugs weise wird dabei die Feuerung mit Sauerstoff angereicherte Luft und mit einem spezifischen Sauerstoffverhältni zwischen 1.0 und 3.0 betrieben (bezogen auf die minimal fü vollständige Verbrennung benötigte Sauerstoffmenge) . Di bei der Verbrennung entstehenden Gase gelangen vo Feuerungsraum in eine oberhalb von letzterem angeordnet Nachbrennkammer 5, die erfindungsgemäss als ein Wirbel schichtreaktor ausgestaltet ist und ohne zusätzlich Sauerstoffzugäbe betrieben wird. Den Übergang vo Feuerungsraum 1 zur Nachbrennkammer 5 ist durch einen Pfei 3 gekennzeichnet.

In der Nachbrennkammer 5 werden die Verbrennungsgase, di in Strähnen unverbrannte Substanzen und auch Sauerstof enthalten, d.h. nicht homogen sind, in Kontakt mit fluidi sierten Feststoffpartikeln gebracht. Als Feststoff kan Kalk, Sand u.a. verwendet werden. Eine bevorzugte Ausge staltung besteht jedoch darin, dass das Bettmaterial de Wirbelschicht zumindest zu einem grossen Teil aus der au der Feuerung austretenden Flugasche gebildet wird. Die hilft zusätzliche Reststoffe zu vermeiden und damit Folge kosten des Verfahrens wie Deponiekosten zu minimieren.

Der gute Wärmeübergang der Gas-Feststoff-Strömung an di Wände der Nachbrennkammer 5 erlaubt eine effiziente Wärme abfuhr aus der Wirbelschicht, indem die Wände als Kühl flächen ausgestaltet sind. Gegebenenfalls werden noc

zusätzliche Kühlflächen 11 in der Wirbelschicht angebracht. Dabei kann die abgeführte Wärmemenge so gewählt werden, dass sich eine für die Nachverbrennung optimale Temperatur (vorzugsweise zwischen 700°C - 1100°C) in der Wirbelschicht ergib .

Der Wirbelschichtreaktor wird mit einer derart hohen Gas¬ geschwindigkeit (Leerrohrgeschwindigkeit von 2m/s bis 10m/s) betrieben, dass zumindest ein Teil der Feststoff¬ partikel zusammen mit dem Rauchgasstrom aus der Wirbel¬ schicht ausgetragen werden. In einem Staubabscheider 9, z.B. einem Zyklon, einem Staubfilter oder einem Elektro- filter, werden die aus der Nachbrennkammer 5 austretenden Rauchgase von dem mitausgetragenen Feststoff befreit. Der Feststoff wird über eine Leitung 10 in die Nachbrennkammer 5 zurückgeführt, so dass eine zirkulierende Wirbelschicht entsteht. Die Wirbelschicht zeichnet sich durch eine sehr gute Quervermischung der aus der Feuerung 1 kommenden Gas¬ strähnen aus. Dadurch kann ein vollständiger Ausbrand der Rauchgase ohne zusätzliche Sauerstoffzugäbe erreicht werden.

Vom Staubabscheider 9 werden die vom Feststoff befreiten Rauchgase über eine Leitung 6 zu einem konventionellen, mit Kühlflächen 8 versehenen Abhitzekessel 7 zur Wärmerück¬ gewinnung geführt, bevor sie über nicht dargestellte Rauchgasreinigungseinrichtungen in den Kamin 25 gelangen. In diesem Abhitzekessel 7 werden die Rauchgase mit Vorteil auf eine Temperatur zwischen 100°C und 300°C abgekühlt.

Der Kesselwirkungsgrad kann durch Verwendung von sauer- stoffangereicherten Gasen oder von reinem Sauerstoff für die Feuerung weiter verbessert werden, da auf diese Weise

die entstehende Rauchgasmenge erheblich reduziert werde kann.

Gemäss Fig. 2, in der die aus Fig. 1 bekannten und gleich bleibenden Teile des Fliesschemas mit den gleichen Bezugs ziffern bezeichnet sind, ist die Anlage um einen externe Fliessbettkühler 12 erweitert. Dieser erlaubt, einen Tei der Wärmeabfuhr aus der Nachbrennkammer 5 auszulagern. Ei Teil des im Staubabscheider 9 abgesonderten Feststoffe (oder auch der sämtliche im Staubabscheider 9 anfallend Feststoff) wird über Leitung 17 in den Fliessbettkühler 1 umgeleitet, wo er in einer stationären Wirbelschich (Fliessbett) durch direkten oder indirekten Wärmeübergan abgekühlt wird (entsprechende Wärmeübertragungsflächen de Fliessbettkühlers 12 sind mit 15 symbolisch bezeichnet) un danach über eine Leitung 14 erneut in die Nachbrennkammer gelangt. In der Nachbrennkammer 5 nimmt dieser Feststof die Wärme aus den heissen Verbrennungsgasen auf und erwärm sich auf die in der Nachbrennkammer 5 herrschende Misch temperatur.

Ein für den Betrieb des Fliessbettkühlers 12 benötigte Fluidisiergas wird dem Fliessbettkühler 12 über Leitunge 13 zugeführt. Bei der in Fig. 2 dargestellten Auführungs for werden erfindungsgemäss zur Fluidisierung im Fliess bettkühler Sauerstoffhaltige Gase eingesetzt, die oberhal des Fliessbettes wieder abgezogen und über eine Leitung 1 als ein Teil der Primärluft in den Feuerungsraum 1 einge leitet werden.

Diese Variante ermöglicht eine besonders effiziente Wärme abfuhr aus der Nachbrennkammer 5. Ausserdem ermöglicht di Anordnung der am stärksten von Korrosionserscheinunge

betroffenen Warmeubertragungsflächen 15 im Fliessbettkühler 12 eine starke Verminderung der Kesselkorrosion. Im Fliess¬ bettkühler 12 werden die Wärmeübertragungsflächen 15 weniger der Korrosion ausgesetzt, da hier die stark korrosiv wirkenden Rauchgase gar nicht zum Einsatz kommen.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Variante wird ein Teil des im Fliessbettkühler 12 abgekühlten Feststoffes über eine Leitung 18 zur weiteren Abkühlung den den Staubabscheider 9 verlassenden Rauchgasen zugegeben. Der Feststoff wird dazu im Rauchgasstrom suspendiert, wo er die Wärme aus dem Rauchgasstrom aufnimmt. Dies kann in einer pneumatischen Förderstrecke 19 oder in einer Schwebegaswärmetauscherstufe 20 geschehen. Vorzugsweise kann für diese Aufgabe ein mehrstufiger Zyklonwärmetauscher eingesetzt werden. Von der Schwebegaswärmetauscherstufe 20 wird der Feststoff über eine Leitung 21 erneut in die Nachbrennkammer 5 zurück¬ geführt. Durch diese weitere Ausgestaltung kann erfin- dungsgemäss der nachgeschaltete konventionelle Abhitze¬ kessel 7 weiter verkleinert werden, oder es kann sogar ganz auf ihn verzichtet werden.

Bei dieser Variante wird das für den Betrieb des Fliess¬ bettkühlers 12 benötigte Fluidisiergas, vorzugsweise Luft, wiederum oberhalb des Fliessbettes abgezogen und dann in einem Wärmeaustauscher 22 gekühlt bei gleichzeitiger Wärmegewinnung. Gekühlt und allenfalls entstaubt wird dann das Gas über die Leitungen 13 direkt wieder als Fluidisiergas im Fliessbettkühler 12 eingesetzt.

Bei den in Fig. 2 und 3 dargestellten Verfahrensvarianten kann die Temperatur in der Nachbrennkammer 5 unabhängig vom Betriebszustand der Feuerung genau geregelt werden, indem

der Eintrag des im Fliessbettkühler 12 gekühlten Fes stoffes geregelt wird. Dies ermöglicht, dass Ammoniak a Reduktionsmittel zur Stickoxidabscheidung in die Nac brennkammer 5 oder in den Staubabscheider 9 bzw. Zykl optimal eingeleitet werden kann, und dass die Temperatur gewählt wird, dass die Stickoxidabscheidung mit minimal Ammoniakverbrauch durchgeführt werden kann. Vorzugsweis wird der Ammoniak in den Zykloneinlauf eingeleitet.