DE3623177A1 - Brennkammer fuer atmosphaerische stationaere wirbelschichtfeuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für eine atmosphärische stationäre Wirbelschichtfeuerung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die bekannten technischen Konzepte für stationäre atmosphärische Wirbel­ schichtfeuerungen zeichnen sich durch eine kostengünstige Entschwefelung der Rauchgase durch Zugabe basischer Sorbentien in das Wirbelbettmaterial aus. Es hat sich jedoch bei ausgeführten stationären atmosphärischen Wirbel­ schichtfeuerungen gezeigt, daß es nicht möglich ist, die in jüngster Zeit festgelegten Grenzwerte für Stickoxidemissionen zuverlässig einzuhalten. Bekannte Lösungen sehen zur Minderung der Stickoxidemissionen und zur Verbesserung des Ausbrandes des Brennstoffes die externe Rezirkulation des in den Nachschaltheizflächen und den Rauchgasreinigungseinrichtungen anfallenden Flugstaubes, der im allgemeinen noch beachtliche Anteile an Brennbarem enthält, in die Wirbelschicht vor.

Da das feinkörnige Material aber sehr schnell wieder aus der Wirbel­ schicht ausgetragen wird, wenn es nicht gelingt durch geeignete Maßnahmen zur Beeinflussung der Fluidisierung der Wirbelschicht die Verweilzeit der Partikel zu verlängern, macht sich eine Ausmauerung des Freiraumes und ein großes Freiraumvolumen erforderlich, um im Freiraum befindliches Stickoxid durch Erhöhung des Kohlenstoffanteils der im Rauchgas mitge­ führten Partikel zu Stickstoff zu reduzieren. Die Reaktionsbedingungen für eine derartige Reduktion sind jedoch im Freiraum wegen der geringen Stoffdichte der Reaktanden und der vergleichsweise geringen Temperaturen ungünstig gegenüber denen in der Wirbelschicht.

Derartige Lösungen führen zum einen zu aufwendigen Einrichtungen für den Flugstaubrücktransport in die Brennkammer und in die Wirbelschicht und zum anderen zu großen ausgemauerten Freiräumen. Die Standfestigkeit der Ausmauerung wird immer dann zum Problem, wenn die Feuerung starken Last­ wechseln unterworfen wird, oder im EIN/AUS-Betrieb gefahren wird, wie das bei kleinen Leistungseinheiten erfolgreich geschieht.

Andere bekannte Lösungen schlagen zur Minderung der Stickoxid­ emission eine interne Rezirkulation von aus der Wirbelschicht aus­ getragenen Feststoffpartikeln vor. Mit im Freiraum installierten Abscheidern der verschiedensten Ausführungen konnte die Wirksam­ keit der Rezirkulation der Flugasche auf eine Minderung der Stick­ oxidemissionen nachgewiesen werden.

Das Problem der Verminderung Stickoxidemission konnte damit jedoch wirtschaftlich nicht gelöst werden, weil immer, wie oben beschrieben, von einer Nachreaktion im Freiraum ausgegangen wurde.

Bekannte Vorschläge zur Luftstufung in der Wirbelschicht streben eine verzögerte Verbrennung im unteren Bereich der Wirbelschicht und Zugabe der restlichen Verbrennungsluft im oberen Bereich der Wirbelschicht an. Wenn damit auch Senkungen der Stickoxidemissionen möglich sind, so sind doch den Möglichkeiten der Beeinflussung der Fluidisierung der Wirbelschicht Grenzen gesetzt mit dem Ergebnis, daß in der Schicht Ascheverbackungen auftreten, die eine Fluidisierung verhindern.

Die einfach erscheinende Lösung, den Sauerstoffüberschuß in der Wirbel­ schicht gering zu halten, oder die Schicht mit Luftmangel zu betreiben und über der Schicht Sekundärluft einzuleiten, führt nicht zum Erfolg. Es entsteht zwar weniger Stickoxid, aber das unvermeidlich anfallende Kohlenmonoxid kann wegen der ungünstigen Reaktionsbedingungen im Frei­ raum nicht im gewünschten Maße zu Kohlendioxid umgewandelt werden.

Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Brennkammer für stationäre atmosphärische Wirbelschichtfeuerungen, die bei kosten­ günstiger Bauweise eine wirtschaftliche Verbrennung fester Brennstoffe mit geringstmöglichen Stickoxidemissionen ermöglicht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Gestaltung einer Brennkammer für stationäre atmosphärische Wirbelschichtfeuerungen, wobei die bekannten Lösungsansätze für die Minderung der Stickoxidemissionen, wie Verbrennungs­ luftstufung, gezielte Beeinflussung der Fluidisierung und interne Flugstaub­ rezirkulation wirkungsvoll miteinander kombiniert werden und alle zur emissionsarmen Verbrennung erforderlichen Reaktionen in der Wirbel­ schicht ablaufen um auf die Ausmauerung des Freiraumes verzichten zu können und um einen Freiraum von geringer Höhe im Interesse einer kompakten Bauweise der Brennkammer realisieren zu können.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 12 gelöst. Ferner ist von Vorteil, daß unter der Brennkammer ein wassergekühlter Düsenboden vorgesehen ist und den unteren Düsen Luft aus einem Erstluftkasten und den oberen Düsen die Luft auf einem getrennten Stufenluftkasten regelbar zugeführt wird, wenn aus der Wirbelschicht ausgetragene Feststoffpartikel mit hohem Gehalt an Unverbrannten mit Hilfe eines internen Partikelab­ scheiders und eines Fallschachtes mit Injektordüse in die Wirbel­ schicht im Bereich zwischen unteren Luftdüsen und oberen Luftdüsen zurückgeführt werden und über eine Siebeinrichtung abgetrennte grobe Brennstoffpartikel auf die Schicht gefördert werden, während feine Brenn­ stoffpartikel in die Wirbelschicht in den Bereich zwischen die Erst­ luftdüsen und die Stufenluftdüsen eingetragen werden.

Die erfindungsgemäße Lösung wird nachstehend an einem Ausführungs­ beispiel erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch eine Brennkammer für eine atmosphärische stationäre Wirbel­ schichtfeuerung im Leistungsbereich von etwa 3 MW zur Erzeugung von Warmwasser bzw. Sattdampf.

Unterhalb des beispielsweise zylindrischen Wassermantels 1 ist ein wassergekühlter Düsenboden 2 angeordnet. Heißgas zur Erwärmung des Bettmaterials der Wirbelschicht 7 auf Zündtemperatur des Brennstoffes bzw. die Erstluft gelangt über einen direkt unter dem wassergkeühlten Düsenboden 2 angeordneten Erstluftkasten in die geweihartigen unteren Luftdüsen 3. Die Stufenluft wird regelbar über einen unter dem Erst­ luftkasten angeordneten Stufenluftkasten in die geweihartigen oberen Luftdüsen 4 geführt. Die Luftdüsen 4 sind über eine Verstelleinrichtung 5 mit gemeinsamem Gestänge höhenverstellbar ausgeführt. Der Brennstoff wird beispielsweise in einer Siebeinrichtung in eine grobe und eine feine Fraktion getrennt. Die groben Teile werden von oben auf die Wirbel­ schicht 7 gegeben, während der feinkörnige Brennstoff in die Wirbel­ schicht 7 in den Bereich der Ebene zwischen den Erstluftdüsen 3 und den Stufenluftdüsen 4 gefördert wird. Die groben Partikel haben da­ durch eine besonders lange Verweilzeit im Bett. Beim Absinken im Bett vergasen die Partikel und brennen dann auf Feinkorngröße ab. Danach bleiben die Partikel im Bett und fallen nicht durch.

Durch die Höhenverstellbarkeit der Stufenluftdüsen 4 und die konische Er­ weiterung des Wirbelbettquerschnittes durch beispielsweise nach oben hin abnehmende Dicke der Ausmauerung 6 in der Ebene der Stufenluft­ düsen 4 kann die Luftstufung und die Fluidisierung des Wirbelbettes 7 je nach einzusetzendem Brennstoff gezielt im Sinne einer verzögerten Verbrennung mit dem Effekt der verminderten Stickoxidbildung optimiert werden. Die konische Erweiterung hat einen Winkel von 30° zur Vertikalen.

In die expandierte Wirbelschicht 7 ragen die Tauchheizflächen 8. Diese Heizflächen beginnen am Ende der Erweiterung und sind so angeordnet, daß bei geringer Variation der Schichthöhe des Wirbelbettes 7 die Leistung des Wärmeerzeugers in einem begrenzten Bereich verändert werden kann, wobei die Höhenverstellbarkeit der Stufenluftdüsen 4 von Bedeutung ist.

Aus der Wirbelschicht 7 ausgetragenes Material wird in dem nicht ausge­ mauerten Freiraum 9 von 1,3 m Höhe bis zu einer bestimmten Korngröße vom Rauchgasstrom getrennt und gelangt mit Hilfe der Injektordüse 11 über den Füllschacht 12 und die Eintragsöffnung 13 in den Bereich der Ebene zwischen den Erstluftdüsen 3 und den Stufenluftdüsen 4 in die Wirbel­ schicht 7. Das Rauchgas tritt im oberen Bereich des Freiraumes 9 nachdem es den Abscheider 10 passiert hat, aus der Brennkammer aus und kann bei­ spielsweise in Nachschaltheizflächen weiter abgekühlt werden. Um einen störungsfreien Abzug der Bettasche aus der Wirbelschichtfeuerung 7 zu ermöglichen, ist der Düsenboden 2 mit einem bestimmten Winkel 15 bis 45° zur Horizontalen, hier 30°, konisch ausgeführt. Die Luft­ düsen 3 und die Luftdüsen 4 sind geweihartig so ausgebildet, daß bei einer gleichmäßigen engen Verteilung von jeweils 100 Düsenaustritts­ öffnungen pro m² über dem horizontalen Querschnitt der Wirbelbettfläche eine Förderung der Bettasche zur mittig unter dem Düsenboden 2 angeordneten Bettascheabzugsöffnung nicht behindert wird. Die Düsen haben jeweils 6 Bohrungen von 4 mm Durchmesser, jedes Geweih hat 4 Äste. Aus der Anzahl der Düsenaustrittsöffnungen pro m² und der Bohrungszahl je Düsenast ergibt sich die Anzahl der Düsenäste pro m². Aus der Anzahl der Düsenäste und Anzahl pro Geweih ergibt sich die Zahl der Geweihe.

Claims (11)

1. Brennkammer für stationäre atmosphärische Wirbelschichtfeuerung mit Verbrennungsluftstufung, Aufgabe des grobkörnigen Brennstoffan­ teiles in die Wirbelschicht und interner Rezirkulation eines Teiles der aus der Wirbelschicht ausgetragenen Feststoffpartikel in die Wirbelschicht, dadurch gekennzeichnet, daß in einer oder mehreren Ebenen im oberen Bereich der Wirbelschicht (7) obere Luftdüsen (4) höhenverstellbar über in einer unteren Ebene der Wirbelschicht (7) befindlichen unteren Luftdüsen (3) angeordnet sind, wobei sich die horizontale Querschnittsfläche des Wirbelbettes (7) im Bereich der Ebene der höhenverstellbaren oberen Luftdüsen (4) konisch nach oben hin erweitert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftdüsen (3, 4) geweihartig ausgebildet sind und jede Ge­ weihspitze mindestens 2 Austrittsöffnungen aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Austrittsöffnungen der oberen Luftdüsen (4) 100 bis 130/m², die Anzahl der Austrittsöffnungen der unteren Luftdüsen (3) 100 bis 130/m² beträgt und/oder die Anzahl der Öffnungen je Geweihende 4 bis 8 und/oder deren Öffnungsweite (Durchmesser) 2 bis 5 mm ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die oberen Düsen ver­ schiebbar in den unteren Düsen sitzen und/oder ein gemeinsames Ge­ stänge für die Düsenfeststellung vorgesehen ist und/oder mindestens 3 Äste je Düsengeweih vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Neigung (Winkel zur Senkrechten) der Feuerraumerweiterung im Bereich der oberen Luft­ düsen 15 bis 45° beträgt.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Freiraum über dem Wirbelbett eine Höhe aufweist, die mindestens gleich dem Bett­ durchmesser oder der Bettdiagonalen und max. 1,5 m ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Einbauten im Feuerraum oberhalb des Bettes die Feuerraumhöhe ver­ größern.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, ge­ kennzeichnet durch unterschiedliche Brennstoffaufgaben, wobei ein Eintrag für Feinpartikel im Bettbereich und ein Eintrag für Grobpartikel oberhalb des Bettbereichs mündet.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, ge­ kennzeichnet durch in das Bett reichende Tauchheiz­ flächen, die durch Kühlrohre gebildet werden, die im Bettbereich eine Neigung von 30 bis 60° zur Horizontalen aufweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre im Bereich der konischen Erweiterung beginnen und/oder nach Austritt aus dem Bettbereich zurückgelenkt sind.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die interne Rezirkulation mit einer Rauchgaszuführung und/oder Injektordüse versehen ist.