Verfahren zum Betriebe von Feuerungen, besonders für Dampfkessel, Überhitzer oder dergleichen. Der Vorteil von Kohlenstaub-, Gas- oder Ölfeuerungen wird hauptsächlich darin er blickt, dass die Brennstoffe dieser Feuerungen infolge der raschen und innigen Mischung mit der Verbrennungsluft ohne Luftüber:chuss ver brannt werden können und dadurch hohe Temperaturen und guten Feuerungswirkungs- grad erreichen.
Nachdem diese Heizstoffe kei nen Rost benötigen, sondern durch wasser gekühlte Düsen in den Heizraum gebracht werden, so ist auch hohe Vorwärmung der Verbrennungsluft ermöglicht, die zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades beiträgt. Leider können diese Vorteile nicht voll ausgenützt werden, da die Haltbarkeit des Mauerwerkes oder der sonst mit der ersten Flamme in Berührung kommenden Teile die Überschreitung einer gewissen Höchsttempe ratur verbietet. Diese Höchsttemperatur ist bei den heute zur Verfügung stehenden "feuer- festen" Baumaterialien bei etwa 1500 ge legen.
Theoretisch oder auch mit Rücksicht auf die bei zu hohen Wärmegraden eintretende Dissoziation liessen sich tatsächlich wesentlich höhere Temperaturen erreichen, Aber selbst 1500 gilt für Dauerbetrieb im Interesse der Lebensdauer der Feuerraumwandungen als noch zu hoch. Dran ist in der Praxis daher gezwungen, die höchst erreichbaren Tempe raturen zu vermeiden und die Verbrennungs temperaturen durch grösseren oder kleineren Luftüberschuss herabzudrücken. Wird die Ver brennungsluft vorgewärmt, so ist der Luft überschuss um so mehr zu erhöhen, je höher die Vorwärmung getrieben wurde.
Durch den Luftüberschuss geht mau also wieder der wesentlichen Vorteile der staub- und gasförmigen und flüssigen Brennstoffe verlustig und hat, im Falle einer Vorwär- mung der Verbrennungsluft, noch den weite ren Nachteil, dass der Vorwärmer für das grössere Luftquantum zu bemessen ist.
Diese Nachteile sollen durch das vorlie gende neue Verfahren behoben werden. Es besteht darin, dass der verwendete Brennstoff mit möglichst hoher Temperatur verbrannt und hierauf die Flamme durch getrennt von dem Brennstoff und der Verbrennungsluft zu geführte Gase, insbesondere Rauchgase, durch Mischung der Verbrennungsprodukte mit die- sen Gasen gekühlt wird.
Durch die so her beigeführte Mischung der Verbrennungspro dukte des frischen Gemisches mit beispiels weise durch die Abgase erwärmten Gasen oder mit den Abgasen selbst kann die Tem peratur in den Feuerzügen herabgedrückt werden, ohne dass der Wirkungsgrad der Feuerung verschlechtert wird, dies ganz im Gegensatz zur Temperaturregelung durch LTberschussluft, die einen um so schlechteren Wirkungsgrad ergibt, je tiefer die Verbren nungstemperatur gehalten wird.
Der Beweis, dass durch vorliegende Er findung eine ganz wesentliche Erhöhung des Feuerungswirkungsgrades erreicht werden kann, ist rechnerisch leicht zu erbringen. Es sei der Einfachheit halber angenommen, dass sich die spei. Wärme innerhalb der sämt lichen Temperaturbereiche nicht ändern.
Ist Q die je 1 kg frischem Gemisch zugeführte Wärmemenge, L;üb die überschüssige Luft menge, Lab.. die zur Kühlung verwandte Gas menge, beispielsweise zurückgeführte (Umlauf-) Abgasmenge, und ii die Temperatur des fri schen Gemisches vor, t2 bezw. t'2 nach der Verbrennung, ts die Abgastemperatur (im <B>Fuchs),</B> t. die verlangte Höchsttemperatur, die sich entweder durch Luftüberschuss oder durch Beimengung von Abgasen einstellen soll, so gilt 1.
Bei Luftüberschuss
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Abgebebene Nutzwärme von je 1<B>kg</B> Gemisch
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Zugeführt wurde: Q _-_ <I>(t2</I> -ti) <B>(11-</B> Lab) cp Wirkungsgrad:
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nach einiger
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z. Bei Mischung mit Abgasen von der Temperatur t3
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Gemischtemperatur t$ aus Cp (t'2 -- t.) = Labg Cp (t. - t3)
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TV <I>=</I> ep (1g <I>-</I> 13) <I>(1</I> -f Labe nach einiger Umformung:
1Y= ep <I>(t'2 -</I> 13) Wirkungsgrad
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Es ergibt sich also der gleiche Ausdruck für beide Verfahren. Der Wirkungsgrad hängt also, solange 1i und ts gleich bleiben, in beiden Fällen lediglich von der Verbrennungstempe ratur t'2 bezw. 12 und nicht von der Mischungs temperatur t, ab. Die Verbrennungstemperatur (t'2 bezw. t2) ist aber um so hüher, je unver dünnter, d. h. mit je weniger Luftüberschuss das Gemisch verbrannte.
Beim Arbeiten nach vorliegendem Verfah ren wird man mit der Verbrennungstempera tur des frischen Gemisches so hoch gehen, als es der Brennstoff nur zulässt, die Luft menge also nahezu auf den theoretischen Wert herabbringen.
Dies ergibt im Falle der Vorwärmung der Verbrennungsluft auch die kleinsten Abmes sungen für den Vorwäriner. Die Stelle der Anzapfung für die r,ücluufübrerideri Abgase ist auf den thermischen Wirkungsgrad ohne Einfluss. Ihre Menge wird aber um so gerin ger sein können, je mehr Wärme dieselben bereits abgegeben haben. Im allgemeinen wer den also am besten die Fuchsgase zur Mi schung verwendet, die, falls Luft- oder Kessel- speisewasser-Vorwärmer Anwendung finden, vor den Vorwärmern angezapft werden.
An Stelle der Abgase könnte der Flamme auch frische Luft beigemengt werden. Um hierbei auf den gleichen Wirkungsgrad zu gelangen, müsste die Luft durch die Abgase auf die Temperatur vorgewärmt werden, die im andern Falle die zurückgeführten Abgase besitzen. Dies ist nicht möglich, da zur Wärme übertragung von den Abgasen auf die Zu satzluft ein grösseres Temperaturgefälle erfor derlich ist.
Neben den Anlage-Mehrkosten für die Wärmeaustauschapparate, die infolge des schlechten Wärmeüberganges der Rauchgase grosse Abmessungen benötigen, würde bei Ver- wendung vorgewärmter Überschussluft auch der dem Temperaturgefälle entsprechende Wärmebetrag verloren gehen.
Die Rückführung der Abgase zum Feuer raum kann auf verschiedene Weise erfolgen. Am einfachsten und zuverlässigsten durch einen Ventilator, gegebenenfalls auch durch Strahlwirkung der Brennstoffdüsen. Dieser Ventilator kann auch den "künstlichen Zug", wie er bei Kesselfeuerungen bereits vielfach Anwendung findet, mitbewirken. Sind die zu- rückgeführten Gase vollkommen rein und durchsichtig, so könnte der Fall eintreten, dass durch Strahlung unerwünschte Wärme beträge an die Wand übergehen.
Durch Bei mischung von Russ oder raucherzeugenden Gasen oder Flüssigkeiten kann ein undurch sichtiger Gasschutzmantel erzeugt und damit die Strahlwirkung beseitigt werden.
Die Mischtemperatur und die dieser ent sprechende Umlauf-Abgasmenge richtet sieh nach dein Verwendungszweck der Feuerung. Bei Dampfkesselfeuerungen ist das Mauer werk, bei Lokomotivkesseln die Haltbarkeit der Feuerbüchse, bei Überhitzern die der Rohre massgebend. Bisher hat man sich bei spielsweise gescheut, Überhitzer mit eigener Feuerung zu versehen, da die Gefahr der Verbrennung der Rohre zu nahe lag. Mit der vorliegenden Erfindung hat man es in der Hand, trotz höchster Verbrennungstempera- turen des Brennstoffes, an den Rohren ver hältnismässig tiefe Temperaturen (z.
B. 600 bis 800 ) aufrecht zu erhalten. Durch Ver änderung der Fördermenge des Umlaufventi lators ist auch eine gewisse Regelung der Heizleistung möglich. Besonders gut lässt sich das Verfahren bei Schnellverdampfern, die nur aus einem Röhrensystem ohne Grosswas- sei-raum bestehen, verwenden. Hier erfolgt bei gleichzeitiger Regelung der Brencistoffzufuhr die Veränderung in der Wärmeabgabe durch Vergrösserung oder Verkleinerung der Umlauf abgasmenge, so dass zum Bei,piel ein Ver brennen der Rohre bei vermindertem Dampf verbrauch verhütet ist.
Auch für die Zubehör teile zum Kessel, wie Speisewasser-Vorwärmer, Luftvorwärmer, Fuchs und Schornstein ist die Anwendung des Verfahrens von Bedeu tung. Durch die Verminderung der Zusatz luft werden alle Zuführungskanäle zum und vom Kessel und der Vorwärmer kleiner, fer ner durch die Möglichkeit, ohne Verlust die Rauchgastemperatur am Ende des Kessels zu erhöhen, die Temperaturgefälle in den Vor- wärinerri erhöht, so dass die Oberflächen dieser Apparate entweder kleiner gehalten oder, bei unveränderter Oberfläche,
der Grad der Vor- wärmung vermehrt oder die Temperatur der in den Kamin abziehenden Rauchgase ver mindert werden kann.
In gleicher Weise ist die Erhöhung der Rauchgas--Endtemperatur auf die Erhöhung des mittleren Temperaturgefälles zwischen Feuergasen und Kesselinhalt von Einfluss. Bei gleichbleibender Heizfläche ergibt sich hieraus eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Kessels, bei.gleichbleibender Dampferzeu gung eine kleinere Heizfläche.
Auf den Fig. 1-6 sind die Verhältnisse für eine Feuerung nach dem vorgeschlagenen Verfahren und für eine normale Kesselfeue rung in Sankey-Diagrammform aufgetragen. Es stellen Fig. 1 und 2 einen Kessel ohne Vorwärmer, Fig. 5 und 6 einen Kessel mit Speisewasser-Vorwärmung und Fig. 3 und 4 einen Kessel mit Luftvorwärmung dar. Die Rechnungen erfolgten unter Zugrundelegung praktisch vorkommender Verhältnisse und unter Berücksichtigung mit den Temperaturen veränderlicher spez. Wärmen.
So ergibt zum Beispiel das Verfahren nach Fig. 1 gegenüber dem Verfahren nach Fig, 2 unter Annahme gleicher Temperatur des Brennstoffes und der Verbrennungsluft (20 ) und der Abgase (300 ) und bei gleicher Feuerraumtemperatur (1250 ) eine Verbesserung des Feuerungswirkungs- grades von 11 /o und Verminderung des Ka minquerschnittes von 42 0/0.
Ferner ergibt das Verfahren nach Fig. 5 gegenüber dem Verfahren nach Fig. 6 bei gleichen Gemisch-, - Abgas- und Feuerraum temperaturen (50 0, 150 0 bezw. 1250 0) und gleicher Vorwärmung des Speisewassers (20 auf 110 0) eine Verbesserung des Feuerungs- wirkungsgrades, einschliesslich Speisewasser- Vorwärmung von 4 %, eine Verminderung der Vorwärmeroberflächen von \?5 0jo,
der Kesselheizfläche von 9 % und des Kamin- querschnittes von 4211/0.
Das Verfahren nach Fig. 3 ergibt gegen über dem Verfahren nach Fig. 4 bei gleichen Gxemisch- und Abgastemperaturen vor dem Vorwärme) (20 0 bezw. 350 0), gleichen Feuer- raurntemperaturen (1\.350 0) und gleichen Luft vorwärmer-Oberflächen eine Verbesserung des Feuerungswirkungsgrades von 8 % und eine Verminderung des Kaminquerschnittes von 50 0%.
Strahlungsverluste sind in den Rech- rrungen nicht berücksichtigt.
Die Vorteile des neuen Verfahrens sind um so augenscheinlicher, je mehr die Ver brennungstemperaturen voneinander abwei chen. In den Beispielen wurden für den nor malen Kessel 1250 0, für das treue Verfahren 2000 0 angenommen. Um diese hohe Tempe ratur dauernd aufrecht erhalten zu können, ist neben der Kühlung der Flamme durch getrennt von dem Brennstoff und der Ver brennungsluft zugeführte Gase, insbesondere Rauchgase, auch eine gute Kühlung der Düse vorzusehen. Durch genügend hohe Ausströ- rnungsgeschwindigkeit der Luft und des Brennstoffes aus der Düse wird die Flamme von der Düsenmündung abgehalten.
In Fig. 7 und 8 ist je ein Beispiel einer Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens veranschaulicht.
Fig. 7 zeigt eine kombinierte Brennstoff düse für Gas- oder Kohlenstaub, die am äussern Umfang vor) einer Düse a, durch wel- ehe die Abgase zugeführt werden, umgeben ist. Die in der Mittelachse sich bildende Flamme wird also zunächst ganz von den Abgasen eingehüllt, bis diese sich allmählich mit den Verbrennungsprodukten der Flamme mischen und sie abkühlen.
Fig. 8 zeigt einer) gewöhnlichen Wasser rohrkessel mit Rohölfeuerung. Durch Düse )a wird der Brennstoff eingespritzt, er mischt sich in b mit der erforderlichen Verbrennungs- Irrft und verbrennt. Durch die Schlitze c wird Abgas in einem flachen, z. B. fächerförmigen Strahl eingeführt, der die Verbrennungshitze der Flamme von der Umgebung abhält und sich dann mit dieser rnischt. Das Abgas wird am Fuchs bei d durch den Ventilator e ab gesaugt.
Alle oben angeführten Ausführungsformen des vorliegenden Verfahrens können auch für industrielle, wie zum Beispiel metallurgische, keramische ete. Zwecke angewandt werden, d. h. in aller) Fällen, wo geringere Heiztem- peraturen mit hohen Verbrennungsterr)pera- turen des Brennstoffes erzielt werden sollen.
Process for operating furnaces, especially for steam boilers, superheaters or the like. The main advantage of pulverized coal, gas or oil firing systems is that the fuels in these firing systems can be burned without excess air as a result of the rapid and intimate mixing with the combustion air and thus achieve high temperatures and good firing efficiency.
Since these heating materials do not require a rust, but are brought into the boiler room through water-cooled nozzles, the combustion air can also be preheated to a high degree, which contributes to a further improvement in efficiency. Unfortunately, these advantages cannot be fully exploited, as the durability of the masonry or the parts otherwise coming into contact with the first flame prohibits exceeding a certain maximum temperature. This maximum temperature is around 1500 for the "refractory" building materials available today.
Theoretically, or also taking into account the dissociation that occurs when the temperature is too high, much higher temperatures can actually be achieved, but even 1500 is still too high for continuous operation in the interest of the service life of the furnace walls. In practice, it is therefore necessary to avoid the highest temperatures that can be achieved and to reduce the combustion temperatures by increasing or decreasing excess air. If the combustion air is preheated, the excess air needs to be increased the higher the preheating was carried out.
The excess air means that the essential advantages of dusty, gaseous and liquid fuels are lost again and, in the case of preheating of the combustion air, has the further disadvantage that the preheater has to be dimensioned for the larger quantity of air.
These disadvantages are intended to be remedied by the present new method. It consists in the fact that the fuel used is burned at the highest possible temperature and then the flame is cooled by gases, in particular flue gases, fed separately from the fuel and the combustion air, by mixing the combustion products with these gases.
By mixing the combustion products of the fresh mixture with, for example, gases heated by the exhaust gases or with the exhaust gases themselves, the temperature in the flues can be lowered without the efficiency of the firing being impaired, in contrast to temperature control due to excess air, which results in a poorer efficiency, the lower the combustion temperature is kept.
The proof that a very substantial increase in the firing efficiency can be achieved through the present invention is easy to provide mathematically. For the sake of simplicity it is assumed that the spei. Do not change the heat within any of the temperature ranges.
If Q is the amount of heat supplied per 1 kg of fresh mixture, L; via the excess amount of air, Lab .. the amount of gas used for cooling, for example recirculated (recirculating) exhaust gas, and ii the temperature of the fresh mixture before, t2 or t'2 after combustion, ts the exhaust gas temperature (in <B> Fuchs), </B> t. the required maximum temperature, which should be set either through excess air or through the addition of exhaust gases, applies 1.
With excess air
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Released useful heat of 1 <B> kg </B> mixture each
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Was supplied: Q _-_ <I> (t2 </I> -ti) <B> (11- </B> Lab) cp efficiency:
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after some
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z. When mixed with exhaust gases at temperature t3
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Mixture temperature t $ from Cp (t'2 - t.) = Labg Cp (t. - t3)
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TV <I> = </I> ep (1g <I> - </I> 13) <I> (1 </I> -f Labe after some transformation:
1Y = ep <I> (t'2 - </I> 13) efficiency
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The result is the same expression for both methods. The efficiency depends, as long as 1i and ts remain the same, in both cases only on the combustion temperature t'2 respectively. 12 and not from the mixing temperature t. The combustion temperature (t'2 or t2) is the higher, the more undiluted, i.e. H. the less excess air the mixture burned.
When working according to the present procedure, the combustion temperature of the fresh mixture will be as high as the fuel allows, i.e. the amount of air will be reduced to almost the theoretical value.
In the case of preheating the combustion air, this also results in the smallest dimensions for the preheater. The point of tapping for the r, ücluufübrerideri exhaust gases has no influence on the thermal efficiency. The more heat they have already given off, the less their amount can be. In general, therefore, it is best to use the fox gases for mixing, which, if air or boiler feed water preheaters are used, are tapped before the preheaters.
Instead of the exhaust gases, fresh air could also be added to the flame. In order to achieve the same level of efficiency, the air would have to be preheated by the exhaust gases to the temperature that the returned exhaust gases would otherwise have. This is not possible because a larger temperature gradient is required to transfer heat from the exhaust gases to the additional air.
In addition to the additional system costs for the heat exchange devices, which require large dimensions due to the poor heat transfer of the flue gases, the amount of heat corresponding to the temperature gradient would also be lost when using preheated excess air.
The return of the exhaust gases to the combustion chamber can be done in various ways. The easiest and most reliable way to do this is to use a fan, if necessary also by the jet effect of the fuel nozzles. This fan can also contribute to the "artificial draft", as it is already often used in boiler firing. If the returned gases are completely pure and transparent, it could happen that undesirable amounts of heat are transferred to the wall through radiation.
By mixing soot or smoke-generating gases or liquids, an opaque protective gas jacket can be created and the jet effect can be eliminated.
The mixing temperature and the corresponding circulating exhaust gas amount depends on your intended use of the furnace. In the case of steam boiler firing, the brickwork is decisive, in the case of locomotive boilers the durability of the firebox, and in the case of overheaters that of the pipes. So far, for example, people have shied away from providing superheaters with their own firing, since the risk of the pipes burning was too close. With the present invention you have it in hand, despite the highest combustion temperatures of the fuel, on the pipes ver relatively low temperatures (z.
B. 600 to 800) to maintain. By changing the flow rate of the circulation fan, a certain control of the heating output is also possible. The process can be used particularly well with high-speed vaporizers, which only consist of a pipe system without a bulk water chamber. Here, with simultaneous regulation of the fuel supply, the change in the heat output takes place by increasing or decreasing the amount of circulating exhaust gas, so that, for example, burning of the pipes with reduced steam consumption is prevented.
The application of the process is also important for the boiler accessories, such as feed water preheaters, air preheaters, Fuchs and chimneys. By reducing the additional air, all supply ducts to and from the boiler and the preheater become smaller, and the possibility of increasing the flue gas temperature at the end of the boiler without any loss increases the temperature gradient in the preheater, so that the surfaces of these devices are increased either kept smaller or, with unchanged surface,
the degree of preheating can be increased or the temperature of the flue gases drawn off into the chimney can be reduced.
In the same way, the increase in the flue gas end temperature has an influence on the increase in the mean temperature gradient between the flue gases and the boiler contents. With the same heating surface, this results in an increase in the performance of the boiler, with constant steam generation a smaller heating surface.
In Figs. 1-6, the relationships for a furnace according to the proposed method and for a normal Kesselfeue tion are plotted in Sankey diagram form. 1 and 2 show a boiler without a preheater, FIGS. 5 and 6 show a boiler with feed water preheating and FIGS. 3 and 4 show a boiler with air preheating. The calculations were made on the basis of practically occurring conditions and taking into account changes in temperature spec. To warm.
For example, the method according to FIG. 1 results in an improvement in the combustion efficiency of 11 compared to the method according to FIG. 2, assuming the same temperature of the fuel and the combustion air (20) and the exhaust gases (300) and the same combustion chamber temperature (1250) / o and reduction of the flue cross-section of 42 0/0.
In addition, the method according to FIG. 5 results in an improvement over the method according to FIG. 6 with the same mixture, exhaust gas and furnace temperatures (50 0, 150 0 and 1250 0) and the same preheating of the feed water (20 to 110 0) the firing efficiency, including feed water preheating of 4%, a reduction of the preheater surface of \? 5 0jo,
the boiler heating surface of 9% and the chimney cross section of 4211/0.
The method according to FIG. 3, compared to the method according to FIG. 4, results in the same mixed and exhaust gas temperatures before preheating) (20 0 and 350 0), the same fire room temperatures (1 \ .350 0) and the same air preheater Surfaces an improvement of the combustion efficiency of 8% and a reduction of the chimney cross-section of 50 0%.
Radiation losses are not taken into account in the calculations.
The advantages of the new process are all the more apparent the more the combustion temperatures differ from one another. In the examples, 1250 0 were assumed for the normal boiler and 2000 0 for the faithful procedure. In order to be able to maintain this high temperature permanently, in addition to cooling the flame by gases supplied separately from the fuel and the combustion air, in particular flue gases, good cooling of the nozzle must also be provided. The flame is kept away from the nozzle mouth by a sufficiently high outflow speed of the air and the fuel from the nozzle.
7 and 8 each illustrate an example of a device for carrying out the method.
Fig. 7 shows a combined fuel nozzle for gas or coal dust, which is surrounded on the outer circumference in front of) a nozzle a through which the exhaust gases are supplied. The flame that forms in the central axis is initially completely enveloped by the exhaust gases, until these gradually mix with the combustion products of the flame and cool them down.
Fig. 8 shows a) ordinary water tube boiler with crude oil. The fuel is injected through nozzle) a, it mixes in b with the required combustion error and burns. Through the slots c exhaust gas is in a flat, z. B. introduced a fan-shaped beam, which keeps the combustion heat of the flame from the environment and then mixes with it. The exhaust gas is sucked off at the fox at d by the fan e.
All of the above-mentioned embodiments of the present method can also be used for industrial, such as metallurgical, ceramic ete. Purposes are applied, d. H. in all) cases where lower heating temperatures with high combustion temperatures of the fuel are to be achieved.