DE10055507A1

DE10055507A1 - Verfahren zum Befeuern eines für die Öl- oder Gasfeuerung ausgelegten Kessels mit einem staubförmigen Brennstoff

Info

Publication number: DE10055507A1
Application number: DE10055507A
Authority: DE
Inventors: Fritz Schoppe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2002-05-23
Also published as: WO2002039018A1; EP1332316A1; DE50105484D1; EP1332316B1

Abstract

Ein für die Verbrennung von Gas- oder Öl-dimensionierter Kessel soll mit Staub befeuert werden, ohne daß, vom Austausch der Einrichtungen zum Befeuern des Kessels abgesehen, am Kessel Veränderungen vorgenommen werden. Der Kohlenstaub wird in fluidisiertem Zustand einem Combustor zugeführt und in ihm teilverbrannt, wobei das brennende Luft/Brennstoff-Gemisch zu einem Flammstrahl hoher Geschwindigkeit beschleunigt wird, der in den Feuerungsraum des Kessels geblasen wird. Wenigstens 30% des Brennstoffs werden in dem Combuster bei einem Druck verbrannt, der um wenigstens 200 Pa höher ist als der Druck im Feuerungsraum. Der Flammstrahl wird in den Feuerraum derart gerichtet, daß sich darin ein schneller Umlauf der Rauchgase ergibt. Auf diese Weise wird durch Vergrößerung der Wärmeübergangszahl die Verminderung der Ecktemperatur kompensiert und ein vollständiger Ausbrand des Brennstoffs ohne Dimensionsänderung des Kessels erreicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Befeuern eines für die Öl- oder Gasfeue rung ausgelegten Kessels mit einem staubförmigen, mit Hilfe von Luft fluidisierten Brennstoff.

Die Notwendigkeit der Umrüstung bestehender Kesselanlagen von Öl- oder Gasfeuerung auf die Verfeuerung staubförmiger Brennstoffe entstand im Sommer 2000, als die Öl- und Gaspreise innerhalb kurzer Zeit um mehr als 100% angestiegen waren. Der Wärmepreis von schwerem Heizöl erreichte das etwa 2,5-fache des Wärmepreises von Kesselkohle; der Gaspreis folgt dem Heizölpreis üblicherweise mit einer gewissen Zeitverzögerung.

Öl- oder gasgefeuerte Wasserrohrkessel zur Erzeugung z. B. von Dampf sind heute so kon struiert, daß

- der Feuerraum zum Ausbrand der Öl- oder Gasflamme ausreicht, und
- die Temperatur der Rauchgase im Bereich Austritt Feuerraum/Eintritt Überhitzer (auch Ecktemperatur t_E genannt) meist bei 1.050 bis 1.15000 liegt.

Ein einfacher Ersatz der Öl- oder Gasbrenner durch Kohlenstaubbrenner führt aus folgenden drei Gründen nicht zum Ziel:

1. Die Staubflamme erfordert gegenüber einer Öl- oder Gasflamme das 2- bis 3-fache Ausbrennvolumen. Wenn das Feuerraumvolumen für Gas- oder Ölbefeuerung bemessen ist, reicht es somit für den Ausbrand von Staub nicht aus. Bei gleicher Feuerungsleistung wie bei Öl oder Gas würde sich der Ausbrand des Staubes bis weit in die nachgeschalteten Einheiten hinein, wie beispielsweise den Überhitzer, hin ziehen und dort starke Verschlackung und Korrosion verursachen.
Es besteht also als erstes Problem, den Ausbrand des Staubes um 100 oder 200% zu beschleunigen.
2. Bei den für Öl- oder Gasfeuerung üblichen Ecktemperaturen von 1.050 bis 1.150°C würde es bei Verbrennung von Kohlenstaub im Feuerraum und Überhitzer zu starker Schlackenbildung kommen. Daher muß die Ecktemperatur t_E abgesenkt werden, und zwar in Abhängigkeit vom verwendeten Brennstoff:
- a) für Steinkohle gibt das Ruhrkohle-Handbuch (7. Auflage, 1987, Seite 160, Kapitel 3.4 "Ascheschmelzverhalten") den zulässigen t_E-Wert mit maximal 950°C an;
- b) für Braunkohle gibt das Rheinbraun-Datenblatt vom März 1987 zum Ascheschmelz verhalten an: "Sinter-Temperatur ≧ 900°C"
Eigene Untersuchungen der Anmelderin mit Braunlkohle ergaben:
- - t_E = 940°C . . . starke Verschlackung
- - t_E = 920°C . . . Beginn der Verschlackung
- - t_E = 880 bis 900°C . . . keine Verschlackung.
Die Zahlenangaben decken sich also mit den im Rheinbraun-Datenblatt angegebe nen Werten.
Das zweite Problem besteht also darin, Maßnahmen zu ergreifen, die zu einer Absenkung der Ecktemperatur von 1.050 bis 1.150°C auf ca. 900°C führen.
- 1. Senkt man die Ecktemperatur t_E wie vorstehend ab, verkleinert sich das Temperatur gefälle vom Rauchgas (Temperatur t_E) zur Überhitzerrohrwand (meist 550 bis 600°C) von
- - bisher z. B. 1.100°C-600°C = 500°C
- - auf jetzt z. B. 900°C-600°C = 300°C,
also auf etwa 60% der bisherigen Temperaturdifferenz. Entsprechend verringert sich die Dampfüberhitzung, was nicht zulässig ist, wenn dem Kessel beispielsweise eine Turbine nachgeschaltet ist.

Als drittes Problem ergibt sich daher, die Überhitzerleistung trotz verringerter Eck temperatur wieder auf den alten Wert zu erhöhen, der sich bei Befeuerung mit Öl oder Gas ergeben würde.

Konventionelle Lösungen, mit denen sich die drei vorgenannten Probleme lösen ließen, wür den zu einem sehr großen Bauaufwand führen:

1. Für die Befeuerung mit staubförmigem Brennstoff ist nach dem Stand der Technik eine Vergrößerung des Feuerraums notwendig.
2. Zur Absenkung der Ecktemperatur muß gemäß Stand der Technik die Heizfläche im Feuerraum vergrößert werden.
3. Will man trotz abgesenkter Ecktemperatur die Überhitzerleistung beibehalten, muß gemäß Stand der Technik der Überhitzer vergrößert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzu geben, das sich ohne Änderung der bestehenden Kesseldimensionen ausführen läßt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung löst die komplexe, aus drei Einzelproblemen bestehende Aufgabe durch eine einzige Maßnahme. Diese besteht darin, die bisherigen, unten am Feuerraum horizontal angesetzten Öl- oder Gasbrenner durch Combustoren zu ersetzen, die im Bereich der Feu erraumdeckel oder auf dieser angeordnet sind und möglichst abwärts gerichtet feuern, damit dem Flammstrahl ein möglichst großes Ausbreitungsvolumen im Feuerraum zur Verfügung steht und eine Schlackenbildung an Feuerraumwänden vermieden wird.

Unter Combustoren sind klein bauende, sehr hoch belastbare Spezialbrennkammern zu ver stehen, in denen wenigstens 30% bevorzugt 60% der Brennstoffwärme umgesetzt werden, und die in einer Flammbeschleunigungsdüse enden, die einen Flammstrahl von wenigstens 40 m/s, bevorzugt 120 m/s Geschwindigkeit erzeugen. Im Flammstrahl brennt der restliche Brennstoffanteil aus. Der Flammstrahl eines Combustors besitzt eine so hohe Geschwindig keit, daß die Rauchgase im Feuerraum von dem Flammstrahl in eine intensive Bewegung versetzt werden, die zusätzlich zum Wärmeübergang aus der Flamme auf die Feuerraum wände durch Strahlung einen Wärmeübergang durch Konvektion erzeugt und so zu einer Absenkung der Ecktemperatur führt.

Es kommt also auf die geeignete Auswahl der Einrichtung an, mit der der staubförmige Brennstoff verbrannt wird, und auf deren Anbringungsort an.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf einen in Fig. 1 schematisch darge stellten Öl- oder Gaskessel, der auf die Befeuerung mit Kohlenstaub umgerüstet ist, näher erläutert.

In der Zeichnung erkennt man einen von Wasserrohren O begrenzten Feuerraum 1 mit einem Überhitzer 2 und einem Rauchgasaustritt 3. Stromabwärts davon befinden sich Nach schaltheizflächen 4. Sämtliche Wasserrohre O und Heizflächen sind oben mit einer Kessel trommel 5 und unten mit einem Wassersammler 6 verbunden. Gestrichelt ist im unteren Bereich die Stelle 7 eingezeichnet, an der früher ein Öl- oder Gasbrenner angeflanscht war.

Die zuvor erwähnte Ecktemperatur t_E der Rauchgase herrscht im Bereich Austritt aus dem Feuerraum 1/Eintritt in den Überhitzer 2 und liegt bei modernen Kesseln bei 1.050 bis 1.150°C.

Zur Umstellung der Befeuerung des dargestellten Wasserrohrkessels auf Kohlenstaubfeue rung wird der Öl- oder Gasbrenner 7 ausgebaut oder stillgesetzt. Statt dessen ist am Kopf, d. h. oben am Kessel, ein Combustor 8 angeordnet, der von oben abwärts feuert. Ein Com bustor 8 besteht aus einem beliebig gestalteten Brennraum 9, in dem mindestens 30% der Brennstoffwärme umgesetzt werden, und einer sich an dem Brennraum 9 anschließenden Flammbeschleunigungsdüse 10, die einen Flammstrahl 11 erzeugt, der eine Geschwindig keit von etwa 100 m/s hat. Die Wasserrohre O werden von dem Flammstrahl 11 und den durch die Verbrennung entstehenden Rauchgasen erwärmt.

Der Combustor 8 ist im vorliegenden Falle so gestaltet, daß in ihm etwa 50% der Brenn stoffwärme umgesetzt werden. Die restlichen 50% brennen im Flammstrahl.

Der Combustor 8 ist an dem Kessel derart angebracht, daß der in den Feuerraum eingebla sene Flammstrahl darin einen möglichst schnellen Umlauf der Rauchgase erzeugt.

Der Betrieb der dargestellten Vorrichtung wird nun erläutert. Der staubförmige Brennstoff, beispielsweise Kohlenstaub, wird dem Combustor 8 in fluidisiertem Zustand zugeführt. In ihm werden mindestens 30%, vorzugsweise 50% des Brennstoffs bei einem Druck verbrannt, der wenigstens 200 Pa, bevorzugt 1.000 Pa höher ist als der Druck im Feuerraum 1. Das bren nende Luft/Brennstoff-Gemisch wird in der Flammbeschleunigungsdüse 10 auf wenigstens 40 m/s, bevorzugt 100 m/s Flammstrahlgeschwindigkeit beschleunigt. Der vom Flammstrahl im Brennraum erzeugte Impuls erzeugt dort eine starke Rauchgaszirkulation, gegenüber der die Auftriebskräfte der heißen Rauchgase vernachlässigbar sind. Nur der Flammstrahl 11 bestimmt das Strömungsbild im Feuerraum 1.

Im Flammstrahl brennt die restliche Brennstoffwärme aus. Wenn dieser Ausbrandanteil pro Wärmemenge den doppelten Raumbedarf hat, wie vorher die Öl- oder Gasflamme, reicht der für Öl- bzw. Gasfeuerung ausgelegte Brennraum somit für die Kohlenstaubbefeuerung aus. Das oben an erster Stelle genannte Problem ist damit gelöst.

Auch das zweitgenannte Problem ist damit gelöst. Dieses wird ersichtlich, wenn man sich die Zahlen anhand eines typischen Industrie-Wasserrohrkessels ansieht:

Kesselleistung 40 t/h, Brennerleistung insgesamt 38 MW.

- Der Rauchgasinhalt des Feuerraums 1 ist ca. 28 kg.
- Bei 90 m/s Flammstrahlgeschwindigkeit hat der Combustor einen Impuls oder Strahl schub von ca. 1,66 kN, oder 170 kg.

Der Impuls von 170 kg ist groß gegenüber der Rauchgasmenge von 28 kg und bestimmt damit die Geschwindigkeit der Rauchgase im Feuerraum 1. So beträgt die Aufwärtsge schwindigkeit an der Hinterwand 12 des Feuerraums ca. 50 m/s.

Die Rauchgase laufen im Feuerraum 1 mehrfach um, bevor sie ihn durch die Überhitzer 2 und den Austritt 3 verlassen. Auf diese Weise wird zusätzlich zur Flamm- und Gasstrahlung ein Wärmeübergang durch Konvektion erzeugt, der die Ecktemperatur t_E von z. B. 1.100°C auf 900°C senkt.

Damit ist auch das an zweiter Stelle genannte Problem gelöst.

Kurz vor dem Überhitzer 2 beträgt die Rauchgasgeschwindigkeit immer noch 30 bis 40 m/s. Damit ist die Strömung stark turbulent, während vorher bei den Öl- oder Gasbrennern 7 die aufsteigenden Flammgase nur mit 6 bis 10 m/s am Überhitzer 2 ankamen.

Da die Wärmeübergangszahl α etwa mit der 0,7-ten Potenz der Geschwindigkeit geht:

α ~ v^0,7
steigt die Wärmeübergangszahl der Rauchgase im Überhitzer entsprechend an. Das durch die kühleren Rauchgase (t_E = 900°C anstatt früher 1.100°C) verkleinerte Temperaturgefälle zwischen Rauchgas und Überhitzer wird durch die erhöhte Wärmeübergangszahl α mehr als ausgeglichen.

Damit ist auch das an dritter Steile genannte Problem gelöst.

Die durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen erzielte Steigerung des Wärmeübergangs im Feuerraum 1 ist außerdem noch energiesparend, wie folgende Überlegung zeigt:

- die Luft wird dem Combustor 8 mit einem Druck zugeführt, der über dem Druck im Feuer raum 1 liegt, wenigstens um 200 Pa, bevorzugt 1.000 Pa über dem Druck im Feuerraum;
- im Brennraum 9 des Combustors 8 verbrennt ein Teil des Brennstoffs bei diesem höhe ren Druck;
- in der Flammbeschleunigungsdüse 10 wird das Druckgefälle vom Brennraum 9 zum Feuerraum 1 in Geschwindigkeit umgesetzt.

Die Luft wird also:

- auf den Druck des Brennraums 9 verdichtet,
- dann durch Teilverbrennung erwärmt, und
- schließlich auf den Druck im Feuerraum 1 entspannt.

Dies ist ein Wärmekraftmaschinenprozess, bei dem mechanische Arbeit frei wird. Im vorlie genden Fall erscheint diese Arbeit als Energiezunahme, d. h. Beschleunigung des Flamm strahls. Seine Energie entstammt also überwiegend der Verbrennung und muß nur zu einem kleinen Teil vom Gebläse aufgebracht werden, mit dem der fluidisierte Brennstoff in den Combustor 8 eingeführt wird. Der Kraftbedarf dieses Luftgebläses ist kaum größer als der bei einem üblichen Ölbrenner.

Diese wirtschaftlichen Effekte bekommt man nicht nur bei der erfindungsgemäßen Umrü stung von Öl- oder Gaskesseln auf Kohlenstaubbefeuerung, sondern erst recht, wenn man einen Kessel von vornherein als Kohlenstaubkessel auslegt. Man kann dann den Brennraum von vornherein ebenso klein machen, wie etwa bei einem ölgefeuerten Kessel.

Die gleichen Überlegungen gelten auch für andere Brennstäube als Kohle.

Der Combustor kann je nach Kesselbauform in beliebige Richtung feuern, also abwärts, auf wärts, quer oder schräg. Dieses hängt von praktischen Erwägungen ab, wie z. B. der Erzie lung eines möglichst schnellen Umlaufs der Rauchgase im Feuerraum oder der Ausblasung von Verunreinigungen. Wichtig ist, daß dem aus ihm austretenden Flammstrahl ein ausrei chendes freies Volumen zur Verfügung steht, in das er sich ausbreiten kann, ohne auf Kes selwände zu treffen und dort einen zur Verschlackung führenden Ascheniederschlag zu erzeugen. Bei liegenden Kesseln ist der Combustor also "quer", d. h. im Wesentlichen hori zontal angebracht.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Combustor 8 exzentrisch angeordnet, weil die ses unter den Bedingungen des Beispiels die größten Rauchgas-Umlaufgeschwindigkeiten ergibt. Wenn andere Bedingungen es verlangen, kann der Combustor auch symmetrisch zum Feuerraum angeordnet werden, wobei die Umlaufgeschwindigkeiten etwas kleiner wer den.

Bei Feuerräumen größerer Abmessungen senkrecht zur Zeichnungsebene können mehrere Combustoren nebeneinander als Batterie angeordnet sein.

Es sei abschließend erwähnt, daß man am Kessel ggf. im Bereich des Bodens, wo der Was sersammler 6 verläuft, einen Ascheabzug einrichten kann, falls stark aschehaltiger Brenn stoff eingesetzt werden sollte. Erfahrungen der Anmelderin haben indessen gezeigt, daß bei den meisten Kohlesorten auf einen solchen Ascheabzug verzichtet werden kann, da die Asche als Flugasche aufgrund der heftigen Rauchgasbewegung den Feuerraum zusammen mit den Rauchgasen verlassen und außerhalb des Kessels aus den Rauchgasen herausge filtert werden kann.

Claims

1. Verfahren zum Befeuern eines für die Öl- oder Gasfeuerung ausgelegten Kes sels mit einem staubförmigen, mit Hilfe von Luft fluidisierten Brennstoff, der ei nem Combustor zugeführt und darin wenigstens 30% des Brennstoffs verbrannt werden, wobei der Druck in dem Combustor wenigstens 200 Pa über dem Druck im Feuerraum des Kessels liegt, das brennende Luft/Brennstoff-Gemisch zu einem Flammstrahl einer Geschwindigkeit von wenigstens 40 m/s beschleu nigt wird, der in den Feuerraum geblasen wird, und der Flammstrahl in den Feuerraum derart gerichtet wird, daß sich darin ein schneller Umlauf der Rauchgase ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck bei der Verbrennung im Combustor 1.000 Pa höher ist als der Druck im Feuerraum.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das brennende Luft/Brennstoff-Gemisch auf 100 m/s beschleunigt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der beschleunigte Flammstrahl im oberen Bereich des Feuerraums in diesen eingeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammstrahl vertikal von oben in den Feuerraum gerichtet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Flammstrahl außermittig in den Feuerraum gerichtet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß 60% des Brennstoffs in dem Combustor verbrannt werden.