Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffemissionen in

Verbrennungsanlagen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffemissionen in Verbrennungsanlagen mit einem Hauptbrennraum und einem Nebenbrennraum gemäß des ersten und des fünfzehnten Patentanspruchs. Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich ferner gleichermaßen zur signifikanten Steigerung der Energieausnutzungseffizienz aus dem Verbrennungsprozess zB bei der Gewinnung von elektrischer Energie.

Verbrennungsprozesse bei denen zB schwefel-, Stickstoff- und chlorhaltige Brennstoffe verbrannt werden, setzen grundsätzlich Schwefeloxide, Stickoxide und Salzsäure sowie chlorierte organische Verbindungen wie zB polychlorierte Dibenzo-p-dioxine und Dibenzofurane (PCDD/F) frei. Alle diese Schadstoffe unterliegen aufgrund ihrer To- xizität oftmals nationalen Emissionsgrenzwerten und sind beispielsweise für die Bundesrepublik Deutschland vom Gesetzgeber in der 17. Bundesimmissionsschutzverordnung (17.BImSchV) für Müllverbrennungsanlagen festgeschrieben.

In technischen Feuerungen erfolgt die Verbrennung von festen Brennstoffen üblicherweise in zwei Stufen. Der Festbrennstoffabbrand erfolgt in einem ersten Schritt durch Zugabe von sauerstoffhaltigem Primärgas (Primärluft) . Die Zufuhr an sauerstoffhaltigem Primärgas (Primärluft) erfolgt meist unterstöchiometrisch. Der daraus resultierende auf einen lokalen Sauerstoffmangel im Brennbett zurückzuführende unvollständige Ausbrand der primär gebildeten Rauchgase erfordert die weitere Zugabe und Vermischung von sauerstoffhaltigem Sekundärgas (Sekundärluft) in das heiße noch heizwertreiche primär gebildete Rauchgas im überstöchiometrischen Verhältnis wodurch eine Nachverbrennung eingeleitet wird.

Feste Brennstoffe wie zB Hausmüll und Biomasse aber auch Kohle werden häufig in Rost-, Wirbelschicht-, oder auch Drehrohrfeuerungen verbrannt. Insbesondere Hausmüll und Biomasse zeichnen sich häufig durch eine hohe Inhomogenität bezüglich Heizwert, Aschegehalt, Feuchtegehalt, stoffliche Zusammensetzung und/oder der Partikelgröße aus.

In Rostfeuerungen wird der feste Brennstoff meist ohne aufwendige Aufbereitung auf einem in mehrere Rostzonen unterteilten Verbrennungsrost transportiert und bei kontrollierter individueller Zufuhr von Primärluft in die einzelnen Rostzonen ausgebrannt. Der Abbrand fester Brennstoffe kann idealisiert in die nacheinander ablaufenden Teilprozesse Trocknung, Entgasung und Abbrand des fixen Kohlenstoffes unterteilt werden. Aufgrund der meist schlechten Vermischung der festen oftmals inhomogenen Brennstoffe oder Brennstoffmischungen in der Brennbettschüttung können sich beim Transport auf Verbrennungsrosten diese Teilprozesse überlagern. Im vorderen Rostbereich erfolgt hauptsächlich die Trocknung hervorgerufen durch intensive Wärmeeinstrahlung der heißen Brenngase aus der Hauptbrennkammer und/oder von den heißen Brennkammerwänden/-decke und/oder durch Zuführung von vorgewärmter Primärluft. Bei der Trocknung wird der mit der Primärluft zugeführte Sauerstoff nicht verbraucht. Bei weiterer Temperaturerhöhung werden bei der nachfolgenden Brennstoffentgasung große Mengen an flüchtigen Kohlenwasserstoffen aus dem Brennstoffbett freigesetzt. In diesem Rostbereich findet der höchste lokale Kohlenstoffumsatz statt. Abhängig von den lokalen Temperaturen und der (^-Konzentration im Brennstoffbett werden die freigesetzten Kohlenwasserstoffe gezündet und vollständig oder teilweise verbrannt. Bei (lokal) unterstöchio- metrischer Sauerstoffzufuhr verbleiben nach vollständigem Verbrauch des Sauerstoffangebots in der Hauptverbrennungszone erhebliche Mengen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas und werden bei hohen Temperaturen durch Vergasungsreaktionen zum Teil in CO, H ₂ und Ruß umgesetzt. Diese primär gebildeten Rauchgase in der Hauptverbrennungszone sind sehr heizwertreich.

Parallel zur Entgasung werden aus dem BrennstoffStickstoff flüchtige stickstoffhaltige Verbindungen (N-Spezies) , hauptsächlich NH ₃ (Ammoniak) und in geringerem Umfang HCN (Blausäure) und stickstoffhaltige Kohlenwasserstoffe gebildet. Diese primären N-Spezies werden abhängig von den lokalen 0 ₂ -Konzentrationen und Temperaturen im Brennbett vollständig oder teilweise zu NO oxidiert. Bei Sauerstoffmangel (in der Hauptverbrennungszone) verbleiben erhebliche Mengen von flüchtigen StickstoffVerbindungen insbesondere an NH ₃ im aus dem Brennbett austretenden heizwertreichen Rauchgas.

Die thermisch instabilen schwefelhaltigen Verbindungen des Brennstoffs werden unter Sauerstoffmangelbedingungen im Bereich der Hauptverbrennungszone überwiegend als Schwefelwasserstoff (H ₂ S) freigesetzt .

Aus den chlorhaltigen Verbindungen des Brennstoffs (zB PVC und aus anorganische Chloriden wie zB NaCl) wird beim Feststoffabbrand hauptsächlich Salzsäure gebildet. Ein geringerer Teil wird in Form von flüchtigen anorganischen Chloriden (zB Alkali-, Schwermetallchloride) oder auch organische Chlorverbindungen (zB Chlorbenzole) ins Rauchgas freigesetzt.

Am hinteren Rostbereich erfolgt der Abbrand des nach der Entgasung verbleibenden fixen Kohlenstoffes bei lokal überstöchiometrischer Primärluftzufuhr. Durch die in diesem Rostbereich meist im erheblichen Überschuss zugeführte Primärluftmenge sinkt die Brennbetttemperatur wodurch die Kinetik des RestkohlenstoffUmsatzes relativ langsam verläuft. Eine Temperaturerhöhung im Schlackebett am Ende des Rostes beschleunigt bei ausreichendem Sauerstoffangebot den Kohlenstoffabbrand und gewährleistet so niedrige Restkohlenstoffgehalte (TOC) in der ausgetragenen Schlacke.

Der Stickstoffgehalt des nach der Entgasung gebildeten Restkokses ist relativ niedrig. Beim Abbrand unter 0 ₂ -Überschuss wird hauptsächlich NO (Stickstoffmonoxid) gebildet. Die Primärluftmenge und -Verteilung sowie die Rostkinematik haben einen signifikanten Einfluss auf den Verlauf des Brennbettabbrandes beim Transport auf dem Verbrennungsrost und beeinflussen dadurch die axiale Verteilungen von Temperaturen, 02-Konzentrationen, Rauchgasheizwerten und das NH ₃ /NO-Verhältnis in den aus den einzelnen Brennbettzonen freigesetzten Rauchgasströmen. - A - Die primär beim Feststoffabbrand gebildeten Rauchgase insbesondere die Sauerstoffreien und heizwertreichen Rauchgase aus der Hauptverbrennungszone (C> ₂ -Minimum) müssen in einem zweiten Verbrennungsschritt durch überstöchiometrische Zuführung und Vermischung mit sauerstoffhaltigem Sekundärgas (Sekundärluft) bei hohen Temperaturen möglichst vollständig ausgebrannt werden.

Im Bereich dieser Abgasausbrandzone werden aus den beim Feststoffabbrand primär gebildeten N-Spezies über komplexe Reaktionen letztendlich Stickstoffoxide (NO _x , überwiegend Stickstoffmonoxid NO) und/oder Distickstoffoxid (N ₂ O) und/oder Stickstoff (N ₂ ) gebildet. Der Heizwert und das NH ₃ /NO-Verhältnis der Rauchgase vor Eintritt in die Hauptabgasausbrandzone und die lokale Verteilung von Temperaturen und Sauerstoffkonzentrationen während des Abgasausbrandes haben einen entscheidenden Einfluss auf die final resultierende N-Speziesvertei- lung im Rauchgas nach der Abgasausbrandzone. Unter idealen Bedingungen reagieren NH ₃ und NO während des Abgasausbrandes durch einen autogenen SNCR-Prozess zu N ₂ .

Die Stöchiometrie der Primärluftzufuhr (Summe aller Primärluftströme) in Rostfeuerungen zur Hausmüllverbrennung liegt üblicherweise im Bereich von 0.6 bis 1.2. In Müllverbrennungsanlagen wird die Sekundärluft so geregelt, dass die Verbrennungstemperaturen im Rauchgas nach Sekundärgaszugabe für eine Verweilzeit über zwei Sekunden oberhalb von 85O ⁰ C eingehalten werden. Der Sauerstoffgehalt im ausgebrannten Rauchgas liegt meist im Bereich von etwa 5-12 VoI .%. Die Nutzung der bei der Verbrennung freigesetzten Energie wird meist zur Dampferzeugung mittels Dampfkessel verwendet. Der oftmals relativ hohe Luft- überschuss und die meist relativ hohen Temperaturen im Rauchgas nach dem Dampfkessel (180-250 ⁰ C, dh oberhalb des Säuretaupunktes) verursachen einen erheblichen Energieverlust bei der Wärmenutzung der im Rauchgas enthaltenen thermischen Energie in einem Dampfkessel. Der Kesselwirkungsgrad (Verhältnis des Energieinhaltes des erzeugten Dampfes/ Energieeintrag des Brennstoffes) liegt bei der Abfallverbrennung im Bereich von 80-85%. Bei der Kohleverbrennung ca. 93%. Ansätze zur Reduzierung von Schadstoffemissionen bei Verbrennungsprozessen sind hinlänglich bekannt. Sie umfassen nicht nur Maßnahmen zur nachträglichen Rauchgasreinigung, sondern auch Primärmaßnahmen zur Reduzierung der Schadstoffbildungsraten.

Beispielsweise offenbart die DE 103 38 752 B9 ein Verfahren zur Reduzierung von polyhalogenierten Verbindungen wie PCDD/F in Verbrennungsanlagen mit mindestens einem Brennraum, indem SO ₂ aus dem Rauchgas in mindestens einem Wäscher selektiv abgeschieden wird und in den Brennraum rezykliert wird. Die durch die Erhöhung der SO ₂ - Konzentration (im Rauchgas nach der Abgasausbrandzone) hervorgerufene Sulfatierung der chloridhaltigen Flugasche mindert die PCDD/F-Bildung signifikant. Sulfatierte Flugasche mit niedriger Chloridkonzentration verursachen auch deutlich weniger Korrosionsprobleme der Kesselwerkstoffe des Dampfkessels.

Ferner offenbart die DE 10 2006 016 963 B3 ein Verfahren, bei dem Schwefeldioxid SO ₂ aus dem Rauchgas in mindestens einem Wäscher mittels Ammoniak oder Ammoniumverbindungen selektiv abgeschieden wird, wobei sich eine wässrige Ammoniumsulfat-/-sulfitlösung bildet, die ganz oder teilweise in den Brennraum rezykliert wird und bei der thermischen Zersetzung ebenfalls zur Erhöhung der S0 ₂ -Konzentration führt.

Ferner offenbart DE 10 2006 005 464 B3 ein Verfahren zur pri- märseitigen NO _x -Minderung durch axiale Vermischung aller aus dem Brennbett einer Rostfeuerung austretenden Rauchgasströme vor Eintritt in die Rauchgasausbrandzone bei gleichzeitiger Temperaturkontrolle mittels geregeltem Gas-/Wasserfreistrahl .

Ferner sind aus der Literatur Ansätze bekannt, mehrere verschiedene Verbrennungsprozesse mit dem Ziel einer erhöhten Energieausnutzung miteinander zu kombinieren.

Beispielsweise offenbart die DE 10 2005 036 792 Al eine Anlage mit zwei getrennten Feuerungen, aber mit einer teilweise gemeinsam genutzten Abgasreinigung. Im Rahmen dessen erfolgte eine dampfseitige Kopplung einer ersten Verbrennungsanlage (für Abfall, Biomasse oder anderen Ersatzbrennstoffen) mit einer mit fossilen Brennstoffen (wie zB Steinkohle, Braunkohle, Erdgas, Öl) befeuerten zweiten Verbrennungsanlage (zB zirkulierende Wirbelschichtverbrennung) . Insbesondere chlorhaltige Brennstoffe bilden bei der Verbrennung stark korrosive Rauchgase. Um die Korrosion im Kessel zu begrenzen wird in der Abfallfeuerung Sattdampf oder leicht überhitzter Dampf auf relativ niedrigem Temperaturniveau erzeugt. Der relativ niederkalorische Primärdampf wird dann mit dem Ziel einer Wirkungsgraderhöhung bei einer elektrischen Energieerzeugung mittels Dampfkraftprozess in der zweiten fossil befeuerten Verbrennungsanlage weiter überhitzt. Das offenbarte Konzept ist jedoch aufwendig und benötigt eine simultane Zufuhr von zwei verschiedenen Brennstoffströmen in zwei getrennten Verbrennungsanlagen.

Auch die DE 43 00 192 C2 beschreibt eine Verknüpfung von zwei Abhitzeprozessen zur Erzeugung von überhitztem hochkalorischem Dampf, wobei der erste Prozess als mögliche Abfallverbrennung zur Erzeugung von Sattdampf dient. Die Überhitzung des Sattdampfes erfolgt im zweiten Prozess in einem zB mit dem Abgas einer Gasturbine geheizten Kessel. Auch dieses Konzept benötigt zwei verschiedene Brennstoffströme .

Auch die EP 0 593 999 Bl sowie die DE 19 15 852 C3 offenbaren ein Verfahren zur Energiegewinnung in Müll- oder Sondermüllverbrennungsanlagen. Während bei der Müllverbrennung Sattdampf erzeugt wird, erfolgt eine Überhitzung desselbigen in einem zweiten Heizkessel mit Regelbrennstoff wie zB Erdgas (EP 0 593 999 Bl) bzw. Öl oder Kohle (DE 19 15 852 C3) , dh ebenfalls mit einem zweiten fossilen Brennstoff.

Dagegen offenbart die EP 0 823 590 Bl ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserdampf mit einer Dampftemperatur 200-320°C mittels chlorhaltiger Energiequelle (zB Abfall), das im Gegensatz zu dem vorgenannten Stand der Technik nur mit einem Brennstoff betrieben wird. In einer Wirbelschicht-Pyrolyseanlage wird zerkleinerter Abfall bei geringer Luftzufuhr erhitzt. In einer ersten Verbrennung werden in die bei der Müllpyrolyse bei 300-500 ⁰ C freigesetzten chlorhaltigen Pyrolysegase verbrannt und Wasserdampf mit einer Temperatur von unter 400 ⁰ C erzeugt. Die im Pyrolysegas enthaltenen StickstoffVerbindungen bilden bei der Verbrennung erhebliche Mengen an Stickoxiden und müssen durch aufwendige Abgasreinigungsverfahren abgeschieden werden. Der koks- haltige Pyrolyserückstand wird anschließend mechanisch aufbereitet (gesiebt und dabei grobe Bestandteile abgetrennt) und soll nach Abtrennung von Störstoffen im Wesentlichen chlorfrei sein. Durch Verbrennen dieses Restkokses (fixer Kohlenstoff) aus der Abfallpyrolyse erfolgt in einer zweiten Stufe die weitere Überhitzung des Wasserdampfes auf bis zu 520 ⁰ C. Pyrolysekokse aus Abfallstoffen enthalten aber meist noch beachtliche Mengen an Alkali- und/oder Metallverbindungen insbesondere Chloride die bei der Verbrennung ins Abgas freigesetzt werden und sich teilweise auf den Wärmetauschflächen des DampfÜberhitzers ablagern können. Dadurch werden die bekannten Korrosionseffekte im Dampfkessel verursacht.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffbildung und -emissionen in Verbrennungsanlagen für feste Brennstoffe und / oder festen Brennstoffmischungen mit einem zweistufigem Hauptverbrennungsprozess vorzuschlagen, das sich insbesondere auch für eine verbesserte Nutzung des gesamten Energieinhaltes der Brennstoffe mit hohem Wirkungsgrad zur Erzeugung von elektrischer Energie eignet und dabei grundsätzlich nur einen FestbrennstoffZustrom erfordert.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen aus Anspruch 15 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffemissionen in Verbrennungsanlagen für bevorzugt feste Brennstoffe mit einem zweistufigen Hauptverbrennungsprozess gelöst. Die Hauptverbrennung erfolgt in einer Festbrennstoffausbrandzone, Hauptbrennkammer und Hauptrauchgasnachbrennkammer . Bei der Hauptverbrennung erfolgt ein Ausbrand des festen Brennstoffs unter un- terstöchiometrischer Primärgaszufuhr (Sauerstoffmangel) , wobei ein heizwertreiches Brenngas und ein kohlenstoffarmer fester Rückstand gebildet werden.

Wesentlich ist eine räumlich getrennte Nebenverbrennung für einen Teil der heizwertreichen primär beim Feststoffabbrand gebildeten Brenngase in einem Nebenverbrennungsstrang. Dieser Brenngasteilstrom wird über eine Abzweigung, vorzugsweise einer Brenngasabsaugung aus oder zwischen der Festbrennstoffausbrandzone und vor Eintritt in die Hauptrauchgasnachbrennkammer abgezweigt, während der verbleibende restliche Brenngastrom nach Durchlauf der Hauptbrennkammer und Zumischung des ausgebrannten Abgases aus der Nebenfeuerung in der Hauptrauchgasnachbrennkammer unter überstöchiometrischer sauerstoffhaltiger Sekundärgaszugabe ausgebrannt und einem Hauptdampferzeuger und einer Hauptrauchgasreinigung zugeführt wird.

Das Verfahren und damit die Vorrichtung zeichnen sich somit durch eine Aufteilung des Brenngasstroms nach der ersten Fest- bettverbrennungsstufe in zwei Stränge aus. Der abgezweigte heizwertreiche Brenngasteilstrom wird konditioniert (dh abgekühlt und gereinigt) und in der Nebenbrennkammer ausgebrannt und die freigesetzte Energie in einem seriell zum Hauptdampferzeuger geschalteten Neben- dampfüberhitzer zur Erhöhung der Dampfenthalpie energetisch genutzt. Alternativ zur Nebendampfüberhitzung ist auch eine energetische Nutzung mittels einer Gasturbine oder Gasmotor oder Stirling Motor im Rahmen der Erfindung denkbar. Die Rückführung des ausgebrannten Ne- benstromabgases zur Hauptfeuerung erfolgt vor der Hauptrauchgasaus- brandzone um wieder vereint ausgebrannt und einer gemeinsamen (Rest- ) Wärmenutzung im Hauptdampferzeuger und einer Hauptrauchgasabreini- gung zugeführt zu werden.

Es liegt im Rahmen einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, das nachverbrannte Rauchgas aus dem Nebenverbrennungsstrang vor der Hauptnachverbrennungskammer einzuleiten. Mit der gezielten Einleitung von ausgebranntem Rauchgas aus der Nebenverbrennung vor der genannten Hauptnachverbrennungskammer sind in besonders vorteilhafter Weise eine Brenngaszusammensetzung und damit die Emissionszusammensetzung bei der Hauptnachverbrennung in der genannten Hauptnachbrennkammer ein- stellbar. Hiermit ist in besonders vorteilhafter Weise die Schad- stoffbildung (insbes. PCDD/F und/oder NO _x -Werte) beeinflussbar und der Aufwand einer nachfolgenden Hauptrauchgasreinigung reduzierbar. Die Qualität der festen Rückstände (Schlacke und Flugasche in der Hauptverbrennung) wird dabei nicht negativ beeinflusst.

Ebenso lassen sich auf diese Weise korrosionsfordernde Bestandteile im Rauchgas und damit mögliche Kesselkorrosion im Hauptdampferzeuger zusätzlich reduzieren. Vorzugsweise erfolgt dabei die Einstellung einer Zusammensetzung des eingeleiteten Rauchgases über die Brenn- gaskonditionierung der Nebenstromverbrennung (Abscheidung von Chloriden und HCl) .

Im Nebenverbrennungsstrang erfolgt nachfolgend zur Abzweigung eine Brenngaskonditionierung der abgezweigten Brenngase (dh dem vorgenannten Teilstrom der Brenngase) . Die Brenngaskonditionierung umfasst eine Temperierung der abgezweigten Brenngase vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 350 und 500 ⁰ C, vorzugsweise zwischen 400 und 450 ⁰ C, weiter bevorzugt zwischen 400 und 425°C. Diese Temperaturfenster liegen unterhalb der Kondensationstemperaturen und/oder So- lidustemperaturen der meisten in den Brenngasen vorliegenden flüchtigen Alkali- und Schwermetallverbindungen, die bei der Abkühlung dann als Feststoffaerosol resublimiert oder an Asche- und Russpartikeln kondensiert gemeinsam mit diesen abgefiltert oder auf andere Weise abgeschieden werden. Diese Temperaturen sind auch ausreichend hoch um die Kondensation von schwer flüchtigen Kohlenwasserstoffen (Teer) zu verhindern.

Die Brennstoffkonditionierung umfasst nicht nur die vorgenannten Temperierungsmitteln (zB mit einem Wärmetauscher oder Wasserquench) sondern auch diesen vorzugsweise nachgeschaltete Mittel zur Brenngasreinigung. Die Brenngasreinigung dient nicht nur der vorgenannten Abscheidung der Alkali- und Schwermetallverbindungen insbesondere von Alkali- und Schwermetallchloriden gemeinsam mit Asche- und Russpartikel aus dem Brenngas, sondern auch der Abscheidung von korrosiven gasförmige Brenngasinhaltsstoffen, wie zB Säurebestandteile (zB HCl) . Eine Abscheidung der Säurebestandteile wie zB Salzsäure HCl erfolgt vorzugsweise durch eine Hinzudosierung eines Sorptionsmittels wie zB CaO (Kalziumoxid), CaOH (Kalziumhydroxid), und/oder CaCO ₃ (KaI- ziumcarbonat ) in das Brenngas. Das Sorptionsmittel, das als Feststoff, wässrige Lösung oder Suspension eingegeben wird, dient der Absorption der Säurebestandteile. Das gebildete feste Reaktionsprodukt wird aus dem Brenngas vor der Nebenbrennkammer abgefiltert.

Das konditionierte Brenngas ist nach der Abscheidestufe nicht nur von festen Schwebstoffen abgereinigt, sondern auch weitgehend frei von Salzsäure, Chloriden und Alkaliverbindungen. Das konditionierte Brenngas ermöglicht damit in besonders vorteilhafter Weise eine besonders schadstoffarme konventionelle Nachverbrennung (Nebenverbrennung) in einer Nebenbrenngasverbrennungskammer vorzugsweise unter ü- berstöchiometrischer Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Gases (Sekundärgas) . Durch diese Nebenverbrennung entstehen heiße und korrosionsarme Abgase. Das bei der Verbrennung des gereinigten Brenngases gebildete Abgas ist bezüglich Kesselkorrosion mangels korrosionsfordernder Bestandteile nahezu unproblematisch. Das heiße korrosionsarme Abgas eignet sich folglich besonders für eine energetische Verwertung, vorzugsweise in Form einer Wärmeübertragung zB an metallischen Wärmeüberträgern auch bei erhöhten Temperaturen des Kesselwerkstoffes über 400 ⁰ C, beispielsweise für eine Erzeugung von hoch überhitztem Wasserdampf aus dem vorgenannten Hauptdampferzeuger (Dampfüberhitzung) . Dadurch ist eine sehr effiziente elektrische Energieerzeugung zB mit einer Dampfturbine analog zu einem typischen fossil befeuertem Kraftwerk möglich.

Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass die Zuführung des gesamten festen BrennstoffStromes ausschließlich in den Haupt- verbrennungsprozess, dh in die Festbrennstoffausbrandzone erfolgt. Folglich ist das Verfahren sowie die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens so ausgelegt, dass der Festbrennstoff grundsätzlich, auf einem einzigen Festbrennstoffström (Monoverbrennung) mit einer Feststoffausbrandzone basiert. Ferner zeichnet sich das Verfahren und die Vorrichtung durch eine grundsätzliche Möglichkeit einer Regelung des Volumenstrom- verhältnisses von Brenngasteilstrom zur Nebenfeuerung und des verbleibenden Brenngasstromes aus. Damit lassen sich nicht nur die Energiemengenströme in der Haupt- und Nebenfeuerung separat für eine kombinierte thermische Energienutzung aufeinander anpassen (zB Hauptdampferzeuger und nachfolgender Dampfendüberhit zung in der Ne- benstromverbrennung) , sondern auch für eine insgesamt schadstoffarme Verbrennung nutzen.

Die Monofeststoffverbrennung ist nämlich im Rahmen der Erfindung insbesondere mit einem minderwertigen Brennstoff, beispielsweise Hausmüll und ohne eine spezielle Brennstoffaufbereitung oder - selektierung von einzelnen Festbrennstofffraktion, zB Abfallfraktionen möglich, wobei die Verbrennung und die Schadstoffbildung beim Gesamtverbrennungsprozess nicht nur durch eine regelbare Aufteilung der Brenngase aus der Hauptfeuerung auf die vorhandenen Nachverbrennungsstränge (eine oder mehrere) , sondern auch durch die genannte Brenngaskonditionierung vor einer Nachverbrennung in der Nebenfeuerung steuerbar ist und Einflüsse möglicher BrennstoffInhomogenitäten damit ausgleichbar sind. Eine Hausmüllverbrennung ist im Rahmen der Erfindung nicht nur mit kraftwerksähnlichem Wirkungsgrad bei der e- lektrischen Energieerzeugung ohne zusätzlichen Einsatz von fossilen Brennstoffen möglich, sondern auch mit einer geringen Schad- stoffbildungsrate (insbesondere NO _x und PCDD/F) und geringer Korrosionsneigung gegenüber Kesselmaterialien bei erhöhten Temperaturen insbesondere T>400°C. Ferner zeichnen sich auch die erzeugten festen Rückstande (Schlacke, Flugasche) durch eine unverändert hohe Qualität (Restkohlenstoff TOC < 1%) aus.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren, wobei das Verhältnis von Halogenwasserstoff zu S0 ₂ -Konzentration im Rauchgas nach der Abgasausbrandzone der Hauptfeuerung durch Einmischen des ausgebrannten weitgehend halogenwasserstofffreien aber SO ₂ -haltigen Abgasteilstroms eine verbesserte Sulfatierung von Flugaschen in der Hauptfeuerung bewirkt. Dadurch wird die Korrosionsneigung von abgelagerter Flugasche auf der Oberfläche des Hauptdampferzeugers vermindert und zugleich die Dioxinbildung im Hauptdampferzeuger inhibitiert . In der Brenn- gaskonditionierung der Nebenfeuerung werden vorzugsweise alle Bestandteile des Brenngases, die der vorgenannten Sulfatierung entgegenwirken, insbesondere aber Halogenwasserstoffe entfernt. Folglich zeichnet sich eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens dadurch aus, dass bei der Brenngaskonditionierung eine vollständige oder ü- berwiegende Abtrennung von Halogenwasserstoffen sichergestellt ist- Eine Abtrennung von Schwefelwasserstoff H ₂ S oder anderen gasförmigen schwefelhaltigen Stoffen erfolgt dabei vorzugsweise nicht. Bei der Verbrennung des Brenngases in der Nebenfeuerung wird H ₂ S zu SO ₂ oxi- diert und wird im Abgas der Hauptfeuerung zugeführt.

Das Verfahren und die Vorrichtung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig.! eine prinzipielle Darstellung einer Verbrennungsanlage für feste Brennstoffe mit einem zweistufigem Hauptverbrennungsprozess sowie einer separaten Nebenverbrennung,

Fig.2 eine Darstellung der axialen Profile in einer Rostfeuerung der Verbrennungstemperaturen des Rostes T3 und des Rauchgases direkt o- berhalb des festen Brennbettes T4, des Rauchgasheizwerts H _u sowie der Sauerstoffgehalt O ₂ des Rauchgases oberhalb des Brennbettes im Brennraum einer Rostfeuerung über der Verbrennungsrostlänge,

Fig.3 eine Darstellung der axialen Konzentrationsverteilung in einer Rostfeuerung von Stickstoffmonoxid NO, Ammoniak NH ₃ sowie Sauerstoffgehalt O ₂ im Rauchgas oberhalb des Brennbettes im Brennraum über der Verbrennungsrostlänge,

Fig.4 eine Darstellung der axialen Verteilung in einer Rostfeuerung der Salzsäurekonzentration sowie des Sauerstoffgehalt O ₂ im Rauchgas oberhalb des Brennbettes im Brennraum über der Verbrennungsrostlänge,

Fig.5a bis c die Hauptbrennkammer einer Rostfeuerungsverbrennungsan- lage mit drei beispielhaft möglichen Ausgestaltungen einer Abzweigung für einen Brenngasteilstrom, Fig.6a und b eine prinzipielle Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Verbrennungsanlage für feste Brennstoffe mit einem zweistufigem Hauptverbrennungsprozess sowie einer separaten Neben- stromverbrennung sowie einem Wasser-Dampfkreislauf mit einstufiger Dampfturbine (a) sowie ein TS-Diagramm für den Wasser-Dampfkreislauf (b),

Fig.7a und b eine prinzipielle Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Verbrennungsanlage für feste Brennstoffe mit einem zweistufigem Hauptverbrennungsprozess sowie einer separaten Nebenverbrennung sowie einem Wasser-Dampfkreislauf mit einstufiger Zwi- schenüberhitzung und mit zweistufiger Dampfturbine (a) sowie ein TS- Diagramm für den Wasser-Dampfkreislauf (b) ,

Fig.8 eine prinzipielle Darstellung einer Hauptbrennkammer mit Brenngasabzweigung in einer stationären Wirbelschichtfeuerung sowie

Fig.9 eine prinzipielle Darstellung einer Hauptbrennkammer mit Brenngasabzweigung in einer zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung.

Ausführungsbeispiel 1 :

Fig.l zeigt schematisch eine Feststoffverbrennungsanlage mit Hauptfeuerung 1 für eine Feststoffverbrennung mit Hauptbrennkammer 2 (inkl. Festbrennstoffausbrandzone) und Hauptrauchgasnachbrennkammer 3 sowie einem zweiten Nebenverbrennungsstrang mit Abzweigung 4, Brenn- gaskonditionierung 5, einer Nebenbrenngasverbrennungskammer 6, Mitteln zur energetischen Verwertung 7 sowie einer Ausmündung 8 zur Hauptfeuerung, vorzugsweise vor die Hauptrauchgasnachbrennkammer 3. Grundsätzlich ist die Hauptfeuerung als Rost- oder Wirbelschichtfeuerung oder als Drehrohrfeuerung ausgestaltet.

Die Hauptbrennkammer 2 weist eine Festbrennstoffzufuhr 9, eine Schlackeabführung 10 sowie Primärgaszufuhr 11 auf. Ein Festbrennstoff zB Müll und/oder Biomasse und/oder Kohle wird über eine Festbrenn- stoffzufuhr 9 der Hauptfeuerung zugeführt. In der ersten Stufe der

Hauptfeuerung findet in der Hauptbrennkammer 2 ein Abbrand des Festbrennstoffes unter Zufuhr von sauerstoffhaltigem Primärgas zB Luft (Primärgaszufuhr 11) statt. Bei (lokal) unterstöchiometrischer Sauerstoffzufuhr (Sauerstoffmangel) über das sauerstoffhaltige Primärgas werden heizwertreiche Rauchgase gebildet und als Brenngase aus dem Brennbett (Festbrennstoffausbrandzone) freigesetzt. Nachfolgend werden diese heizwertreichen Brenngase teilweise in die Hauptrauchgas- nachbrennkammer 3 weitergeleitet und dort zusammen mit dem Abgas aus der Nebenfeuerung unter überstöchiometrischer Zufuhr von sauerstoffhaltigem Sekundärgas (Sauerstoffüberschuss) bei hohen Temperaturen ausgebrannt. Das dabei entstehende heiße Rauchgas wird einem Hauptdampferzeuger 12 (Hauptkessel) zugeführt. Im Hauptdampferzeuger wird die thermische Energie des heißen Rauchgases zur Dampferzeugung genutzt wobei das Rauchgas abkühlt. Abhängig vom eingesetzten Brennstofftyp (Zusammensetzung, Homogenität, Feuchtigkeitsgehalt N, Cl, S etc. ) werden bei der Verbrennung verschiedene Schadstoffe gebildet und/oder aus dem Brennbett freigesetzt. Um den gesetzlichen Anforderungen an die Emission von Verbrennungsanlagen zu genügen wird das abgekühlte Rauchgas (vorzugsweise auf T < 200 ⁰ C) nach dem Kessel als Rohgas 13 den Hauptrauchgasreinigungsstufen 14 zugeführt. Es ver- lässt diese dann abgereinigt als Reingas 15. Die nach Kessel angeordnete Abgasreinigung besteht aus einer oder mehreren Stufen zur Staub- und/oder HCl- und/oder HF- und/oder SO ₂ - und/oder Hg- und/oder NO _x und/oder PCDD/F -Abscheidung. Bei Schadstoffarmer Verbrennungsführung kann auf NO _x und/oder PCDD/F Abscheideverfahren verzichtet werden.

Der Hauptdampferzeuger 12 besteht im Rahmen des Ausführungsbeispiels vorzugsweise aus den Stufen Eco, Verdampfer und Überhitzer, die alle gemeinsam durch den Rauchgasstrom aus der Nachbrennkammer 3 aufgeheizt werden. Dabei wird Wasserdampf vorzugsweise im überhitzten Zustand im Rahmen der energetischen Nutzung des Rauchgases aus der Hauptnachbrennkammer vorzugsweise mit Temperaturen von maximal 400 ⁰ C erzeugt. Höhere Dampftemperaturen führen insbesondere bei chlo- ridhaltigen Ascheablagerungen zu einer starken Korrosion des Kessel- Werkstoffs (chlorinduzierte Kesselkorrosion) und verursacht dadurch erhebliche Kosten (Reparatur, Betriebsausfall) .

Ein wesentliches Merkmal der Vorrichtung umfasst den vorgenannten zweiten Nebenverbrennungsstrang, über den ein Teil des heizwertreichen Brenngases vor Eintritt in die Hauptnachbrennkammer abgezweigt wird. Dieser Teil des Brenngasstroms wird aus dem Brenngasstrom aus der Hauptfeuerung entnommen, vorzugsweise im Bereich zwischen Festbrennbettoberfläche in der Hauptbrennkammer 2 und vor der sauerstoffhaltigen Sekundärgaszufuhr 16 in der Hauptrauchgasnach- brennkammer 3. Aufgrund der unterstöchiometrischen FeststoffVerbrennung ist das aus der Hauptbrennkammer 2 abgezweigte heizwertreiche Brenngas Sauerstofffrei oder nahezu Sauerstofffrei . Es besteht im Wesentlichen aus den gasförmigen Hauptbestandteilen N ₂ , H ₂ O, CO ₂ , CO, C _n H _m , H ₂ , enthält aber auch feste Verbrennungsprodukte wie Flugasche, Rußpartikel sowie flüchtige Alkali- und (Schwer-) Metallverbindungen (meist Chloride) und Hg, HCl, HF, H ₂ S, NH ₃ und geringe Mengen an NO.

Der aus dem Brenngasstrom 17 abgezweigte Teil des heizwertreichen Brenngases wird zunächst der Brenngaskonditionierung 5 zugeführt. Bei dieser wird der Brenngasteilstrom zunächst einem Wärmetauscher 18 (o- der Quench) auf Temperaturen von bevorzugt zwischen 350 und 45O ⁰ C abgekühlt. Dabei resublimieren oder kondensieren nahezu alle flüchtigen Alkali- und Metallverbindungen auf der Oberfläche der Flugasche mit Ausnahme von Quecksilber. Die Flugaschepartikel und Rußpartikel können nun gemeinsam mit sonstigen festen Stoffen als Feststoffaustrag 19 aus dem Brenngas vorzugsweise mittels Filtration 20 abgeschieden und entweder einer Verbrennung, zB der Hauptbrennkammer 2 erneut zugeführt, anderweitig behandelt, verwertet oder deponiert werden.

Durch eine Zudosierung von einem alkali- oder erdalkalihaltigen Neutralisationsmittel wie zB Kalziumoxid CaO und/oder Kalziumcarbonat CaCO ₃ und/oder Kalziumhydroxid Ca(OH) ₂ vorzugsweise in den Brenngasstrom nach Temperierung vor der Filtration 20 lassen sich auch korrosive saure Gase zB Salzsäure HCl oder Flusssäure HF absorbieren und gemeinsam mit den vorgenannten festen Stoffen im Schwebstofffilter abscheiden. Die bei der Brenngasfiltrierung anfallenden Feststoffe bestehen im Wesentlichen aus einer sehr kohlenstoffreichen Flugasche (Russpartikel, kontaminiert mit polyaromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) ) und aus dem Reaktionsprodukt (CaCl ₂ , CaF ₂ ) . Diese Reststoffe werden abgeführt und einer Weiterbehandlung vorzugsweise einer Verbrennung oder Deponierung zugeführt. Dagegen werden Hg und NH ₃ im Rahmen dieser Filtration praktisch nicht abgeschieden.

Alternativ ist auch ein nach der Filtration separat angeordneter Festbettabsorber (zB Partikelschüttung von Absorptionsmaterial) zur Absorption von sauren Gasen (insbesondere HCl) denkbar.

Die abgeschiedenen kohlenstoffreichen Flugaschen/Feststoffe enthalten sehr hohe Konzentrationen an toxischen polyaromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) wie insbesondere Naphtalin, Phenanthren, Anthracen, Fluoranthen, Pyren, Chrysen und weitere toxische Verbindungen. Bei einer möglichen Verbrennung in der Hauptverbrennung oder separat außerhalb der in Fig.l dargestellten Anlage dieser Aschen werden die Kohlenstoffpartikel und die PAK zu CO ₂ und H ₂ O oxidiert. Bei den üblichen hohen Verbrennungstemperaturen über 800 ⁰ C ist mit einer Verdampfung oder thermischer Zersetzung von chloridhaltigen anorganischen Verbindungen und damit mit einer Freisetzung von Salzsäure HCl zu rechnen (zB CaCl ₂ setzt Salzsäure HCl frei) :

CaCl ₂ + 2 H ₂ O -> 2 HCl + CaO + 1/2 O ₂

Das bei der separaten Ascheverbrennung gebildete Chlorid- und / oder HCl-haltige Abgas wird dann vorzugsweise dem abgekühlten Rohgas 13 nach dem Hauptdampferzeuger 12 und vor den Hauptrauchgasreinigungsstufen 14 zugeführt und in der Hauptrauchgasreinigung der Hauptverbrennung, dh in den (Hauptrauchgasreinigungsstufen 14 gereinigt. Der verbleibende ausgebrannte kohlenstoffarme feste Ascherückstand kann zusammen mit der abgeschiedenen Flugasche aus der Hauptrauchgasreinigung deponiert oder verwertet werden. Der konditionierte (gereinigte) heizwertreiche Brenngasteilstrom wird in der Brenngasnebenverbrennungskammer 6 unter Zufuhr von einem sauerstoffhaltigen Gas (Sekundärgas zB mit einem luftgestuften Low- NO _x -Gasbrenner) vorzugsweise unter Sauerstoffüberschuss ausgebrannt. Die hierzu benötigte Verbrennungsluft und/oder das sauerstoffhaltige Sekundärgas werden vorzugsweise im Wärmetauscher 18 vorgewärmt. Außerdem weist die dargestellte Ausführungsform eine Abgasrezirkulation 21 von Rauchgasanteilen aus dem Rauchgasstrom 22 zurück in die Brenn- gasnebenverbrennungskammer 6 zur Temperaturkontrolle während des Brenngasausbrandprozesses der Nebenverbrennung (in der Brenn- gasnebenverbrennungskammer 6 auf.

Alternativ oder in Kombination kann die Abgasrezirkulation auch aus dem Rauchgasstrom 24 erfolgen. Dadurch lässt sich bei sehr geringen Luftzahlen eine niedrige NO _x -Bildungsrate bei der Nebenverbrennung des NH ₃ -haltigen Brenngases realisieren.

Der im Brenngasteilstrom enthaltene Schwefelwasserstoff (H ₂ S) wird bei der Brenngaskonditionierung im Vergleich zu HCl schlechter abgeschieden. HCl wird somit bevorzugt abgeschieden. Nicht abgeschiedenes H ₂ S wird bei Nebenverbrennung zu SO ₂ umgesetzt:

2 H ₂ S + 3 O ₂ -> 2 SO ₂ + 2 H ₂ O

Der heiße Rauchgasstom 22 (Abgas) wird aus der Brenngasnebenverbrennungskämmer 6 einem nachfolgenden Nebendampfüberhitzer 23 zugeführt und dient zur Endüberhitzung des Dampfes aus dem Hauptdampferzeuger 12 von der Hauptfeuerung 1. Aufgrund der geringen Korrosivität des heißen Rauchgasstoms 22 ist eine Dampfüberhitzung auf kraftwerkstypische Temperaturen von T ₂ > 500° ohne eine Gefahr von vorzeitigen Korrosionsschäden in dem für die energetische Nutzung 7 vorgesehenen Nebendampfüberhitzer 23 durchführbar. Die Erzeugung von elektrischer Energie mittels Dampfkraftprozess erfolgt dadurch in besonders vorteilhafter Weise mit sehr hohem kraftwerkstypischem Wirkungsgrad in einer Dampfturbine 27. Der Nebendampfüberhitzer 23 ist grundsätzlich in die Nebenbrennkammer 6 integrierbar. Das aus dem NebendampfÜberhitzer 23 austretende abgekühlte Abgas 24 weist eine Temperatur höher als die Temperatur des aus dem Hauptdampferzeuger austretenden Dampfes und vorzugsweise eine Temperatur oberhalb der Temperatur des gereinigten Brenngases nach Abscheiderstufe 20 auf (über 400 ⁰ C, weiter bevorzugt über 450 ⁰ C) . Über die Ausmündung 8 wird das Abgas 24 in die Hauptfeuerung 1 vorzugsweise vor der Hauptnachbrennkammer 3 zugeführt. In diesem Abgas 24 ist zwar SO ₂ , aber praktisch keine Salzsäure HCl vorhanden, womit sich in vorteilhafter Weise das HCl/Sθ ₂ -Verhältnis im Rauchgas der Hauptfeuerung bei einer Einmischung des Abgases reduziert und eine Sulfatierung der Flugasche im Rauchgas nach der Hauptabgasausbrandzone der Hauptfeuerung unterstützt wird. Damit verringern sich in vorteilhafter Weise signifikant die Neigung zur chlorinduzierten Kesselkorrosion und die Dioxinbildung im Bereich des Hauptdampferzeugers 12 (Kessel der Hauptverbrennung) . Die vorgenannte Entfernung (Abscheidung) von kohlenstoffhaltigen Feststoffpartikeln (zB Russpartikel) im Rahmen der Brenngaskonditionierung 5 des Teilbrenngasstromes unterstützt zusätzlich die Minderung der Dioxinbildung (de-novo Synthese) über die Minderung des partikulären Kohlenstoffgehaltes (Rußpartikel) in den A- scheablagerungen im Hauptdampferzeuger 12 der Hauptfeuerung.

Das zur Hauptfeuerung 1 rückgeführte Abgas 24 kann Stickoxide NO _x enthalten. Durch Zuführung des Abgases 24 vor der Hauptnachbrennkammer 3 (vor Sekundärgaszufuhr 16) werden bei reduzierender Atmosphäre vorhandene NO _x weitgehend zu Stickstoff N ₂ reduziert. zB

2NO + 2CO -> N ₂ + 2CO ₂

Die Minderung der NO _x in der Hauptfeuerung einer Rostfeuerung ist besonders effizient wenn die Rückführung 24 in Form eines oder mehrerer Freistrahlen in die Hauptbrennkammer 2, zur axialen Durchmischung des Brennraums über die Brennbettbereiche erfolgt. Eine Zumischung von Wasser (Gas-Wasser Freistrahl) zur Absenkung des Brenngasheizwertes in der Hauptfeuerung 1 wie in DE 10 2006 005 464 B3 beschrieben, ist nicht erforderlich, da bei der Vermischung von nicht abgeführtem Brenngas 17 mit dem ausgebrannten und wärmegenutzten Abgas 24 resul- tierende Heizwert des vermischen Rauchgases vor der Hauptnachbrennzone 3 vermindert wird. Damit werden Temperaturspitzen und damit eine NO _x -Bildung beim Abgasausbrand in der Hauptabgasausbrandzone vermindert bzw. vermieden.

Idealer Weise vermindert sich die NO _x Bildung beim finalen Rauchgasausbrand in der Hauptabgasausbrandzone 3 vorzugsweise im Temperaturfenster zwischen 900 und 1000 ⁰ C infolge eines autogenen SNCR Prozesses

4NO + 4NH ₃ + O ₂ "> 4N ₂ + 6H ₂ O

Dadurch ist die NO _x -Bildung in der Hauptfeuerung sehr niedrig, womit auf weitere Sekundärmaßnahmen (wie SCR und/oder SNCR) zur NO _x Reduktion verzichtet werden kann.

Ferner ist insbesondere beim Einsatz von Festbrennstoffen (9) mit sehr niedrigem Stickstoffgehalt (zB naturbelassenes Holz) auch eine Verwendung des zurückgeführten sauerstoffhaltigen Abgases 24 zur Ein- düsung in die Hauptrauchgasnachbrennkammer 3 als vollständiger oder teilweiser Ersatz von Sekundärgas möglich. Durch eine weitere Rauch- gasrezirkulation 28 zur Hauptrauchgasnachbrennkammer 3 wird zusätzlich die Sekundärgaszufuhr vermindert und führt zu niedrigen O ₂ gehalten im Abgas 13. Dadurch kann die Abgasmenge 13 vermindert und die Abgasverluste reduziert und so eine Steigerung des Kesselwirkungsgrades erreicht werden.

Eine Rückführung des Abgases 24 in die Hauptfeuerung 1 ermöglicht ferner eine Abreinigung der in diesem verbliebenen und bei der Brenn- gaskonditionierung nicht abgeschiedenen Schadstoffbestandteile, insbesondere von Quecksilber, gemeinsam mit dem Rohgas 13 in den vorhandenen Hauptrauchgasreinigungsstufen 14 der Hauptfeuerung. Zusätzliche Reinigungsstufen sind hierfür nicht erforderlich.

Fig.l umfasst zur energetischen Nutzung einen Wasser-Dampf-Kreislauf 26 mit dem dargestellten Hauptdampferzeuger 13 und Nebendampfüberhit- zer 23 sowie eine durch diese betriebene Dampfturbine 27 als Antrieb zB eines nicht weiter dargestellten Generators.

Ausführungsbeispiel 2 :

Es erfolgt eine Müllverbrennung als Rostfeuerung auf einem Verbrennungsrost mit mehreren Rostbereichen über eine Verbrennungsrostlänge als Festbrennbettausbrandzone. Als Brennstoff dient zB ein sehr heizwertarmer Hausmüll (H _u = 7.4 MJ/kg) . Die Primär- luftstöchiometrie beträgt λ _p = 0,75. Eine Brennstoffanalyse (Bezugsgröße: Gesamtmasse an feuchtem Müll) ist in Tab.l angegeben.

Tab.1 : BrennstoffZusammensetzung (Anteile bezogen auf die Gesamtmasse)

Im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels wird der abzuzweigende Teil des heizwertreichen Brenngases (Brenngasteilstrom) aus dem Brennraum o- berhalb des Verbrennungsrostes, dh im Bereich der Hauptverbrennungszone (0 ₂ -Minimum) des Festbrennbettes entnommen.

Fig.2 zeigt gemessene axialen Profile der Temperaturen des Verbrennungsrostes T3 und des Brenngases T4 oberhalb des festen Brennbettes (jeweils in ⁰ C), des Rauchgasheizwerts H _u (in MJ/m ³ feucht) im Brennraum sowie der Sauerstoffkonzentration O ₂ (in Vol.%) im Brennraum oberhalb der Brennbettoberfläche, Fig.3 die Konzentrationen von Stickstoffmonoxid NO, Ammoniak NH ₃ (jeweils in mg/Nm ³ , Nm ³ = Normkubikmeter) sowie Sauerstoffgehalt O ₂ (in Vol.%) sowie Fig.4 die Salzsäurekonzentration (in mg/Nm ³ ) sowie des Sauerstoffgehalt O ₂ (in Vol.%) im Brennraum über der Verbrennungsrostlänge 25, dargestellt mit den Verbrennungsrostbereichen Rl bis R4. Dabei durchläuft der Brennstoff von der Festbrennstoffzufuhr bis zur Schlackeabführung die gesamte Verbrennungsrostlänge, in den Diagrammen gem. Fig.2 bis 4 links beginnend von Rl bis R4.

Der Maximalwert und die Breite der axialen Verteilung (axialer Teilbereich des Rostes) des Heizwertes H _u des Brenngases im Brennraum steigen generell mit zunehmendem Heizwert H _u und insbesondere mit zunehmendem Flüchtigengehalt und abnehmender Feuchte des festen Brennstoffs an. Durch Verminderung der Primärluft und/oder Sauerstoffan- reicherung der Primärluft und/oder eine Primärluftvorwärmung, insbesondere lokal im Bereich der Hauptbrennzone (0 ₂ -Minimum) , kann die Menge und der Heizwert des für die Nebenfeuerung nutzbaren Brenngases gesteigert werden. Im Fig.2 liegt der optimale Ort der Brenngasabzweigung im Rostbereich R2/R3. Die Brenngastemperatur T3 steigt hier auf ein Maximum. Der anschließende Sauerstoffanstieg im weiteren Verlauf im Rostbereich R3 verbunden mit einem Temperaturabfall charakterisiert den weitgehenden Ausbrand des Festbrennbettes (vgl. Fig.2) .

Folglich erfolgt eine Abzweigung von Brenngas bevorzugt im Brennraum im Rostbereich R2/R3.

Eine Beeinflussung und Regelung der Lage und Ausdehnung der Fest- stoffverbrennung auf dem Verbrennungsrost in der Hauptbrennkammer erfolgt bevorzugt anhand eine Verbrennungscharakterisierung mittels optischer Feuerungsüberwachungssysteme wie beispielsweise durch Infrarotkameras und/oder Videokameras sowie eine darauf basierende Ansteuerung der Primärgaszufuhr (Menge und Verteilung in die einzelnen Rostzonen) und/oder der Rostkinematik (Vorschubgeschwindigkeit und Verweilzeiten von Brenngut auf den Rostzonen des Feuerungsrostes) und/oder Brennstoffzufuhrmenge und/oder Primärluftvorwärmung und/oder evtl. durch O ₂ Anreicherung des Primärgases.

Eine Abzweigung von Brenngas für den Teilstrom aus der Hauptbrennkammer erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit der benötigten Brenn- gaswärmeleistung bei der separaten Nebenverbrennung, dh des Brennwertes Hu multipliziert mit dem Volumenstrom des abgezweigten Brenngasteilstroms. Für eine entsprechende Steuerung erfolgt zunächst eine Ermittlung des Heizwertes Hu im Brenngas im Entnahmebereich oder vor ^¬ zugsweise in der Entnahmeleitung 4 mit einem online Gaskalorimeter als Regelgröße für den abgezweigten Brenngasmengestrom mit benötigter Brenngaswärmeleistung der Nebenbrennkammer.

Das Maximum der Ammoniakkonzentrationsverteilung NH ₃ im Brennraum (vgl. Fig.3) liegt im Bereich des O ₂ Minimums. Der abgezweigte Teil des heizwertreichen Brenngases enthält somit große Mengen an Ammoniak. Der Ausbrand des NH ₃ -haltigen Brenngases in der Nebenbrennkammer kann in vorteilhafter Weise mit einem kommerziell verfügbaren luftgestuften Gasbrenners (LowNOx Stufenbrenner) erfolgen und ermöglicht dadurch bereits eine geringe NO _x -Bildung.

Allerdings enthält das Brenngas insbesondere im Bereich der Abzweigung (R2/R3) (0 ₂ -Minimum) auch erhebliche Mengen an Salzsäure HCl (vgl. Fig.4) . HCl führt zur Bildung von Alkali- und Metallchloriden im Rauchgas die sich auf der Kesseloberfläche ablagern können. Insbesondere diese chloridhaltigen Kesselascheablagerungen sind sehr kor- rosionsfordernd. Daher muss das bei der Verbrennung von chlorhaltigen Brennstoffen gebildete HCl bei der Brenngaskonditionierung der Nebenbrennkammer wie vorgenannt abgeschieden werden.

Schwefelverbindungen werden im Bereich des 0 ₂ -Minimums nahezu vollständig ins Abgas als H ₂ S freigesetzt. Bei der Verbrennung wird SO ₂ gebildet.

2H ₂ S + 3O ₂ -> 2H ₂ O + 2SO ₂

SO ₂ verursacht unter den Bedingungen der Nebenfeuerung/-Kessel sehr geringe Korrosionsprobleme.

Durch die im Verhältnis zu H ₂ S bevorzugte und damit effizientere oder vollständigere Abscheidung von HCl bei der Brenngaskonditionierung vor der Nebenverbrennung wird auch das Verhältnis von HC1/SO ₂ bei ei- ner anschließende Rückführung des ausgebrannten Brenngases zur Hauptfeuerung reduziert und damit auch die Korrosion und PCDD/F-Bildung im Hauptdampferzeuger der Hauptfeuerung und damit des Gesamtprozesses in vorteilhafter Weise vermindert.

Fig.5a bis c zeigen beispielhaft technische Umsetzungen einer Abzweigung 4 des Brenngasteilstroms jeweils im Brennraum 2 einer Hauptfeuerung 1 oberhalb des Feuerungsrostes 29 unter Berücksichtigung der vorgenannten Vorüberlegungen. Der Feuerungsrost 29 umfasst vier Rostzonen Rl bis R4 zwischen der Festbrennstoffzufuhr 9 und Schlackeabführung 10 und wird von unten von Primärgaszuführungen 11 durchströmt. Die Abzweigung des Brenngasteilstroms erfolgt im Bereich der Rostzonen R2 und R3.

Im Rahmen von Fig.5a erfolgt eine Absaugung eines Brenngasteilstroms mittels einer nach unten hin offenen Saugglocke 63 als Teil der Abzweigung 4. Fig.5b und c zeigen beispielhaft ein Absaugungsrohr 64 für die Abzweigung 4 des Brenngasteilstroms nach unten durch den Feuerungsrost 29 und der darauf transportierten Festbrenngutschüttung hindurch. Diese Ausführungen eignen sich insbesondere bei der Verbrennung von Hausmüll oder anderen lockeren, porösen oder sonst wie wenig kompakt auf dem Feuerungsrost aufliegenden heizwertarmen Einsatzstoffen. Fig.5c zeigt eine zwischen den Rostbereichen R2 und R3 unterbrochenen Stufenrost als Feuerungsrost, der eine Lücke 65 bildet und damit den Strömungswiderstand der Absaugung verringert und jene dadurch zusätzlich erleichtert.

Ausführungsbeispiel 3 :

Fig.6a zeigt eine spezielle Ausführungsform entsprechend des ersten allgemein beschriebenen Ausführungsbeispiels (vgl. Fig.l) mit einer einstufigen Expansionsturbine 36. Sie weist wie diese eine Hauptfeuerung 1 mit Hauptbrennkammer 2, Hauptrauchgasnachbrennkammer 3, Festbrennstoffzufuhr 9, Schlackeabführung 10 und Primärgaszufuhr 11, sowie einen Hauptdampferzeuger 12 sowie Hauptrauchgasreinigungsstufen 14 für das Rohgas 13 auf. Ebenso ist in der Ausführungsform eine separate Nebenverbrennung für einen Teil der Brenngase in einem zweiten Nebenverbrennungsstrang vorgesehen. Der Nebenverbrennungsstrang um- fasst eine Abzweigung 4 für den genannten Teil der Brenngase im Bereich des Brennraums 2 oberhalb der Festbettausbrandzone auf dem Feuerungsrost 29, vorzugsweise über dem Verbrennungsrostbereich R2/R3. Weiter bevorzugt ist eine Absaugung in dem Bereich des Brennraums angeordnet, in dem der Brenngasheizwert Hu sein Maximum aufweist (vgl. Ausführungsbeispiel 2, Fig.2) .

Von der Abzweigung 4 wird der Brenngasteilstrom in einen mit Primärluft als Kühlmedium betriebenen Wärmetauscher 18 geleitet. Die hierbei vorgewärmte Primärluft wird von unten durch den Feuerungsrost 29 in den Hauptbrennraum geleitet.

Die weitere Brenngaskonditionierung umfasst wie das erste Ausführungsbeispiel mindestens einen Schwebstofffilter 20 mit Fest- stoffaustrag 19 sowie optional eine Neutralisationsmitteleinleitung

30 zur Abscheidung von Säuren.

Es folgt eine Weiterleitung der konditionierten Brenngase in die Brenngasnebenverbrennungskammer 6 zur Nachverbrennung sowie eine Weiterleitung des heißen Abgasstroms zu einem NebendampfÜberhitzer 23 eines Wasser-Dampf-Kreislaufes 26.

Das den Nebendampfüberhitzer 23 abgekühlt verlassende Abgas 24 wird im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels in einen Sekundärteilgasstrom

31 für den Betrieb und Temperaturkontrolle der Brenngasnebenverbren- nungskammer 6 und einen in den Brennraum 2 rezyklierten zweiten Teilgasstrom 32 aufgeteilt. Optional wird das Abgas 24 zusätzlich oder alternativ zum ersten Sekundärteilgasstrom 31 durch einen Abgaswärmetauscher 33 zur Vorwärmung eines Sekundärgasstroms 34 geleitet. Die Rezyklierung des zweiten Teilgasstroms 32 erfolgt durch Eindüsung in die Hauptbrennkammer 2 mit Hilfe eines Gebläses 35, was eine axiale Durchmischung des Brennraums über die Brennbettbereiche hinweg und damit vorteilhaft eine gleichmäßigere Verbrennung im Brennraum 2 bewirkt .

Der Wasser-Dampf-Kreislauf 26 verlässt die vorgenannte einstufige Expansionsturbine 36 zu einem Kondensator 37, in dem der expandierte Nassdampf aus zunächst verflüssigt wird und von dort über eine Kesselspeisepumpe (nicht dargestellt) zurück zum Hauptdampferzeuger 12 mit Vorwärmer 38, Verdampfer 39 und Vorüberhitzer 40 geleitet wird. Der vorüberhitzte Dampf wird anschließend durch den Überhitzer 23 der Nebenfeuerung und vorn dort wieder in die Expansionsturbine 36 geleitet.

Die Temperaturen T in ⁰ C sowie der Aggregatzustand des Wassers oder Dampfes an den vorgenannten Stationen des Wasser-Dampf-Kreislauf lassen sich über die Entropie s in kJ/kg in einem T/s-Diagramm nachverfolgen (Kreisprozess, Fig.6b) . Mit K ist der sog. kritische Punkt des Wassers dargestellt, darunter grau hinterlegt der Nassdampfbereich 41. Die jeweiligen Stationen gem. Fig.6a sind in Fig.6b durch ihre Dampfparameter wiedergegeben. Ausgehend von der im Punkt Sl beginnende Expansion in der Expansionsturbine 36 vom Heißdampfbereich 42 in den Nassbereich 41 zum Punkt S2. Danach erfolgt auf einer ersten Isobaren 43 (gleich Isotherme im Nassdampfbereich) ein Durchlauf durch den Kondensator 37 bis an den Flüssigkeitsbereich 44 (Punkt S3) . Hier erfolgt nach einer Druckerhöhung mit einer Kesselspeisepumpe (nicht dargestellt) ein isobarer Durchlauf durch den Vorwärmer 38 bis zum Erreichen der Siedetemperatur im Punkt S4, sowie anschließend auf dieser zweiten Isobaren ein isothermer Durchlauf 45 durch das Nassdampfgebiet im Verdampfer 39 zum Punkt S5 mit anschließender Überhitzung im Vorüberhitzer der Hauptfeuerung 40 bis zum Punkt S6 und im Nebendampfüberhitzer 23 der Nebenfeuerung weiter bis zum Punkt Sl.

Es ist allgemein bekannt und bedarf keiner weiteren Erklärung, dass eine zusätzliche Dampfüberhitzung vom Punkt S6 zum Punkt Sl sowie eine Expansion zum Punkt S2 (anstelle von Punkt S6 zu Punkt S7) die nutzbare Enthalpiedifferenz und somit den Wirkungsgrad des Kreisprozesses signifikant erhöht. Der Wirkungsgrad η einer elektrischen Bruttostromerzeugung einer heutigen modernen Müllverbrennungsanlage (Rostfeuerung) mit einem Dampfzustand von 40bar und einer Eintrittstemperatur von 400 ⁰ C in die Expansionsturbine (Punkt S6) beträgt (bei einem Kesselwirkungsgrad von zB 82%) etwa η = 24%. Eine weitere U- berhitzung auf über 400 ⁰ C zB auf 500 ⁰ C ist durch vorgenannte Maßnahmen (energetische Nutzung eines konditionierten Brenngasteilstroms durch separate Nebenverbrennung mit signifikant reduzierter Neigung zur Korrosion) in vorteilhafter Weise auch im Dauerbetrieb möglich. Dieser Wirkungsgrad lässt sich allein mit der im Rahmen des Ausführungsbeispiels vorgeschlagenen Überhitzung auf 500 ⁰ C (Punkt Sl) auf 26,2% erhöhen. Bei einer Dampfüberhitzung auf 550 ⁰ C beträgt der Wirkungsgrad 27%

Ausführungsbeispiel 4:

Fig.7a zeigt eine weitere spezielle Ausführungsform entsprechend des ersten allgemein beschriebenen Ausführungsbeispiels (vgl. Fig.l) mit einer zweistufigen Expansionsverbundturbine 46 mit Niederdruckturbine 47 und Hochdruckturbine 48 und dazwischen liegender Zwischenüberhit- zung. Auf den grundsätzlichen Aufbau gem. Fig.7a sowie den in einem Ts-Diagramm gem. Fig.7b beschriebenen Wasser-Dampf- Kreislauf

(Kreisprozess) wird auf die Gemeinsamkeiten zu Ausführungsbeispiel 3

(Fig.6a und b) verwiesen.

Wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel 3 erfolgt eine getrennte energetische Nutzung des abgezweigten Brenngasteilstroms in einem NebendampfÜberhitzer 23 sowie des nicht abgezweigten Brenngashauptstrom (zusammen mit dem rückgeführten Abgasteilstrom 24,32 aus der Nebenfeuerung) in einem Hauptdampferzeuger 12. Das vorliegende Ausführungsbeispiel unterscheidet sich darin, dass der Nebendampfüber- hitzer 23 sowie der Vorüberhitzer 40 jeweils zweistufig mit jeweils einem Niederdruck- und einem Hochdruckteil gestaltet ist. Folglich verlässt der Wasser-Dampf-Kreislauf 26 die Niederdruckturbine 47 im Punkt S2 (Fig.7b) zu einem Kondensator 37, in dem der expandierte Nassdampf zunächst auf der ersten Isobaren 43 isobar und isotherm verflüssigt wird (Fig.7b, S3) und von dort über eine Kesselspeisepumpe zurück zum Hauptdampferzeuger 12 mit Vorwärmer 38, Verdampfer 39 und Hochdruck-Vorüberhitzer 49 des Vorüberhitzers 40 ge ^¬ leitet (vgl. Fig.7b, isobar auf der zweiten Isobaren 45 (zB 150 bar über die Punkte S4 und S5 verdampft und zu S8 überhitzt wird. Der auf ca. 400 ⁰ C (350 bis 42O ⁰ C) vorüberhitzte Dampf wird anschließend auf gleicher Isobare durch den Hochdruck-DampfÜberhitzer 51 des NebendampfÜberhitzers 23 und vorn dort mit ca. 500 ⁰ C weiter in die Hochdruckturbine 48 (Punkt S9) geleitet. In dieser erfolgt eine erste Entspannung im Heißdampfgebiet bis zu einem Zwischendruck (Punkt SlO) . Von diesem ausgehend erfolgt auf einer dritten Isobaren 53 (Druck zB p = 20 bar, zwischen Drücken der ersten und zweiten Isobaren) eine zweite Niederdrucküberhitzung zunächst im Niederdruck- Vorüberhitzer 50 auf ca. 400 ⁰ C zum Punkt Sil und anschließend im Niederdruck-Dampfüberhitzer 52 des Nebendampfüberhitzers 23 auf eine Temperatur von ca. 500 ⁰ C mit anschließender Weiterleitung zur Niederdruckturbine 47 (vgl. Punkt S12)mit nachfolgender Expansion in der Niederdruckturbine zu Punkt S2.

Der Wirkungsgrad η einer elektrischen Bruttostromerzeugung ist durch einen Betrieb mit Verbundturbine mit Zwischenüberhitzung in vorgenannter Weise von vorgenannten ca. η=24% auf ca. 30% erhöht.

Durch Absenkung des Sauerstoffgehaltes im Rauchgas der Hauptfeuerung durch eine zusätzliche Rauchgasrezirkulation in die Hauptrauchgas- nachbrennkammer 3, dh einer Minderung der Abgasverluste durch Reduzierung des Luftüberschusses ist im Rahmen der Ausführungsbeispiele 1 bis 4 durch Erhöhung des Kesselwirkungsgrades eine zusätzliche Wirkungsgradsteigerung um ca. 1% möglich. Ebenso lässt sich eine weitere Wirkungsgraderhöhung durch weitere Maßnahmen wie zB eine regenerative Speisewasservorwärmung erzielen.

Ferner führen noch folgende bekannten weiteren Maßnahmen grundsätzlich zu einer weiteren Wirkungsgradsteigerung bei der Energieerzeugung: • Absenkung des Kondensationsdrucks nach Turbine, erste Isobare vorzugsweise unter 0,5 bar, weiter bevorzugt unter 0,1 bar, weiter bevorzugt zwischen 0,01 und 0,05 bar) .

• Eine Brenngaskonditionierung abgestimmt auf eine möglichst emmis- sionsarme Gesamtverbrennung und Schadstoffausstoß, womit nur eine einfache Abgasreinigung mit geringem Energieverbrauch erforderlich ist .

• Kesselmaterial für energetische Nutzung 7 aus korrosionsfester und/oder hochtemperaturfesten Werkstoffen, verbunden mit einer Dampfüberhitzung auf Temperaturen über 500 ⁰ C, vorzugsweise 530, 550 oder gar 600 ⁰ C.

Weitere Ausführungsbeispiele:

Fig.8 und 9 zeigen je eine Ausführungsform mit einer stationären bzw. zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung anstelle einer Rostfeuerung. Die Hauptfeuerung 1 umfasst dabei eine Hauptbrennkammer 2 oberhalb einer bewegten Schüttung von Feststoffpartikeln (Wirbelbett 54) und eine Hauptrauchgasnachbrennkammer 3 mit Sekundärgaszufuhr 16. Die un- terstöchiometrische Verbrennung/Vergasung des festen Brennstoffes, zB Biomasse, Hausmüll oder Ersatzbrennstoff aber auch Kohle erfolgt im Wirbelschicht 54, das sich durch eine ständige vorzugsweise gemeinsame Brennbettmaterialzufuhr 55 von Brennstoff und Sand und eine Bettabfuhr 56 von Bettasche und Sand erneuert. Das Wirbelbett 54 befindet sich oberhalb eines Düsenbodens 57 mit einer durch diesen in das Wirbelbett flächig eindringenden und unterstöchiometrischen Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Primärgases 11. Die Abzweigung 4 für den heizwertreichen Brenngasteilstrom ist in der Hauptbrennkammer 2 vorzugsweise oberhalb der Wirbelschicht 54 und noch unterhalb der Sekundärgaszufuhr 16 vorgesehen, wobei eine Rückführung 58 von festen Aschebestandteilen und ausgebrannten und energetisch genutztem Rauchgas aus dem abgezweigten Nachverbrennungsstrang in das Wirbelbett und/oder in die Hauptbrennkammer 2 vor Sekundärgaszugabe 16 vorgesehen ist. Die resultierende Abgasatmosphäre der vermischten Rauch- /Abgasströme vor der Hauptrauchgasnachbrennkammer 3 ist vorzugsweise reduzierend. Das zirkulierende Wirbelbett gem. Fig.9 unterscheidet sich zum stationären Wirbelbett gem. Fig.8 durch eine Abtrennung und

Rezyklierung 62 von Sand und Grobasche aus dem Rauchgasstrom 59 und dem Brenngasteilstrom 60 zurück in das Wirbelbett 57. Die Abtrennung der genannten Feststoffpartikel erfolgt hierbei durch je einen Zyklon 61.

Generell ist das Verfahren auch auf Drehrohrfeuerungen übertragbar. Die Brenngasabzweigung und Abgasrückführung erfolgt in der Nachbrennkammer vor Sekundärluft zugäbe analog zu den Wirbelschichtsystemen.

Bezugszeichenliste :

1 Hauptfeuerung

2 Hauptbrennkammer

3 Hauptrauchgasnachbrennkämmer

4 Abzweigung

5 Brenngaskonditionierung

6 Brenngasnebenverbrennungskammer

7 energetische Verwertung

8 Ausmündung

9 Festbrennstoffzufuhr

10 Schlackeabführung

11 Primärgaszufuhr

12 Hauptdampferzeuger

13 Rohgas

14 Hauptrauchgasreinigungsstufen

15 Reingas

16 Sekundärgaszufuhr

17 Brenngasstrom

18 Wärmetauscher

19 Feststoffaustrag

20 Schwebstofffilter

21 AbgasreZirkulation

22 Rauchgasström

23 NebendampfÜberhitzer

24 Abgas

25 Verbrennungsrostlänge

26 Wasser-Dampf-Kreislauf

27 Dampfturbine

28 Rohgasrezirkulationsleitung

29 Feuerungsrost

30 Neutralisationsmitteleinleitung

31 Sekundärteilgasrezirkulationsström

32 Teilabgasrezirkulationsstrom

33 Abgaswärmetauscher

34 Sekundärgasström

35 Gebläse einstufige Expansionsturbine Kondensator Vorwärmer Verdampfer Vorüberhitzer Nassdampfbereich Heißdampfbereich erste Isobare Flüssigkeitsbereich zweite Isobare Expansionsverbundturbine Niederdruckturbine Hochdruckturbine Hochdruck-Vorüberhitzer Niederdruck-Vorüberhitzer Hochdruck-Dampfüberhitzer Niederdruck-Dampfüberhitzer dritte Isobare Wirbelschicht Bettzufuhr Bettabfuhr Düsenboden Rückführung Rauchgasstrom Brenngasteilstrom Zyklon Rezyklierung Saugglocke Absaugungsrohr Lücke