DE10114094A1 - Verfahren zum Verbrennen von staubförmigen Brennstoff in einem Kraftwerkskessel - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Verbrennen von staubförmigem Brennstoff in einem Kraftwerkskessel mit einem im Querschnitt in etwa quadratischen Feuerraum und mit mehreren übereinander liegenden Brennerebenen für Kohlenstaubbrenner, wobei die Kohlenstaubbrenner in den Ecken des Feuerraums positioniert sind und jeweils mindestens eine Düse für einen mit Kohlenstaub beladenen Primärluftstrom sowie weitere Düsen für Sekundärluftströme aufweisen, wird vorgeschlagen, die Primärluftstromdüsen und die Sekundärluftstromdüsen übereinander anzuordnen und den Primärluftstrom und den Sekundärluftstrom unter verschiedenen Winkeln in den Feuerraum einzuleiten, wobei, bezogen auf die einem Brenner jeweils in gleicher Drehrichtung benachbarten Feuerraumwand, der Einleitwinkel des Sekundärluftstroms kleiner ist als der des Primärluftstroms.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von staubförmigen Brennstoff in einem Kraftwerkskessel mit einem im Querschnitt in etwa quadratischen Feuerraum und mit mehreren übereinanderliegenden Brennerebenen für Kohlenstaubbrenner, wobei die Kohlenstaubbrenner in den Ecken des Feuerraums positioniert sind und jeweils mindestens eine Düse für einen mit Kohlenstaub beladenen Primärluftstrom sowie weitere Düsen für Sekundärluftströme aufweisen.

Im Bereich der fossilen Kraftwerkstechnik, insbesondere zur Verfeuerung von Braun- bzw. Steinkohle, sind Kesselanlagen mit einem Feuerraum bekannt geworden, wel­ cher einen in etwa quadratischen Querschnitt aufweist und bei dem in mehreren E­ benen übereinander die Kohlenstaubbrenner jeweils in den Ecken angeordnet sind, d. h. pro Brennerebene umfaßt der Feuerraum jeweils vier Kohlenstaubbrenner.

Die Kohlenstaubbrenner selbst sind dabei in der Regel als sogenannte Strahlbrenner ausgebildet, d. h. sie besitzen mindestens eine Düse für einen mit Kohlenstaub bela­ denen Luftstrom, den Primärluftstrom, sowie mindestens eine weitere Düse für zu­ sätzliche Verbrennungsluft, den sogenannten Sekundärluftstrom. Primärluftstrom und Sekundärluftstrom sind achsparallel ausgerichtet und bilden bei den zumeist einge­ setzten Tangentialfeuerungen eine Tangente zu einem in der Mitte der Brenner­ ebene fiktiv vorgesehenen Brennkreis (vgl. Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie Band 2, 4. Auflage, Seiten 364 und 365).

Die beschriebenen Tangentialfeuerungen zeichnen sich durch einen hohen Ausbrand und damit guten Wirkungsgrad aus. Sie können bei relativ geringem Luft­ überschuß bzw. in Bereichen des Flammenzentrums sogar unterstöchiometrisch be­ trieben werden.

Insbesondere bei einer durch unterstöchiometrische Fahrweise auf minimale Stick­ oxidbildung ausgerichteten Flammenführung läßt es sich bei diesem bekannten Brennersystem jedoch nicht vermeiden, daß sich nicht nur im Flammenzentrum, sondern auch im Wandbereich des Feuerraums eine reduzierende Atmosphäre ein­ stellt. Eine derartige reduzierende Atmosphäre im Wandbereich führt jedoch nachtei­ ligerweise in relativ kurzer Zeit zu einer massiven Beschädigung des Kesselwände.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist daher bereits vorgeschlagen worden, neben den sogenannten Strahlenbrennern mit einer achsparallelen Primärluft- und Sekundär­ luftführung oberhalb dieser Brenner zusätzliche Luftdüsen vorzusehen, über die auch in den Wandbereich des Feuerraums sogenannte Oberluft eingeleitet wird. Dabei soll sich im Wandbereich ein sogenannter Luftschleier, d. h. eine Atmosphäre mit oxidie­ renden Eigenschaften, bilden, durch den bekanntlich die Brennerwände geschützt werden sollen. Die Ausbildung derartiger Zusatzdüsen bei einem Kesselneubau oder auch bei einer Kesselnachrüstung ist mit einem erheblichen technischen Aufwand und damit auch mit relativ hohen Kosten verbunden, die die erzielten Vorteile zu­ mindest teilweise wieder kompensieren.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Art derart weiterzuentwickeln, daß sich bei Kraftwerkskesseln mit Eckenfeu­ erungen trotz niedriger Stickoxidbildung in den Wandbereichen dieser Feuerung möglichst keine reduzierende Atmosphäre einstellt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsge­ mäß dadurch gelöst, daß die Primärluftstromdüsen und die Sekundärluftstromdüsen übereinander liegen und daß der mit Kohlenstaub beladene Primärluftstrom und der Sekundärluftstrom unter verschiedenen Winkeln in den Feuerraum eingeleitet wer­ den, wobei bezogen auf die einem Brenner jeweils in gleicher Drehrichtung benach­ barten Feuerraumwand der Einleitwinkel des Sekundärluftstroms kleiner ist als der des Primärluftstroms.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird demnach von dem Prinzip der Pa­ rallelführung von Primärluft und Sekundärluft in Eckenbrennern von Kraftwerkskes­ seln abgewichen und vorgeschlagen, die beiden Luftströme derart zu entkoppeln, daß zum einen die Strömungsrichtung der Sekundärluft näher zu einer benachbarten Feuerraumwand gerichtet ist als die der mit Kohlenstaub beladenen Primärluft, und zum anderen, daß Sekundärluft und Primärluft jeweils übereinander liegende Brenn­ kreise ausbilden. Damit wird gemäß der Erfindung die Sekundärluft, die für sich be­ trachtet immer regelbar ist, nicht mehr ausschließlich zur Herbeiführung einer opti­ malen Flammenführung und damit eines optimalen Ausbrandes im Feuerraum selbst eingesetzt, sondern zumindest ein Teil der Sekundärluft wird aufgrund des geänder­ ten Strömungsverlaufes nunmehr auch zum Schutz der Feuerraumwände genutzt. Ähnlich wie bei der weiter oben beschriebenen zusätzlichen Zuführung von Oberluft oberhalb der Kohlenstaubbrenner wird nunmehr direkt im Bereich der Kohlenstaub­ brenner durch einen Teil der Sekundärluft im Bereich der Feuerraumwand ein Luft­ schleier mit oxidierender Atmosphäre gebildet. Dies führt zu dem gewünschten Schutz der Wand und damit zu einer wesentlichen Reduzierung des Verschleißes im Vergleich zu der Ausbildung einer reduzierenden Atmosphäre.

Die beschriebenen Primärluft- und Sekundärluftbrennkreise bilden sich allerdings nur dann mit der gewünschten Effektivität aus, wenn die sie erzeugenden Primärluft- und Sekundärluftdüsen in verschiedenen Ebenen liegen. Würden sowohl Primärluft- als auch Sekundärluftdüsen auf der selben Ebene liegen, so könnten sich keine ge­ trennten Primärluft- und Sekundärluftbrennkreise ausbilden, weil sich diese Luftmas­ senströme bereits kurz nach ihrem Austritt aus den jeweiligen Düsen in den Brenn­ raum hinein miteinander vermischen würden. Die Bildung einer überstöchiometri­ schen Atmosphäre im Bereich der Kesselwände und einer unterstöchiometrischen Atmosphäre im Bereich des Flammenzentrums wäre nicht möglich.

Dabei kann durch die bereits früher mögliche und auch praktizierte Regelung der Se­ kundärluftmenge der Massenstrom so eingestellt werden, daß auch im Flammen­ zentrum selbst die Verbrennungsbedingungen des Kohlenstaubes so sind, daß ein vollständiger Ausbrand des Kohlenstaubes gewährleistet wird.

Zweckmäßigerweise wird zwischen den in unterschiedlichen Richtungen in den Feu­ erraum eingeleiteten Massenströmen von Primärluft und Sekundärluft ein Winkel eingestellt, der zwischen etwa 5 und 8°, vorzugsweise bei etwa 6° liegt.

Wie bei der Beschreibung des Standes der Technik bereits erwähnt, werden bisher die Kohlenstaubbrenner so eingestellt, daß sowohl der Primärluftstrom als auch der Sekundärluftstrom eines Brenners achsparallel ausgebildet und tangential auf einen einzigen in der Brennkammermitte fiktiv vorgesehenen Brennkreis gerichtet waren. Eine besonders einfache und trotzdem sehr wirksame Variante des erfindungsge­ mäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß die ursprüngliche Führung des Sekun­ därluftstromes beibehalten wird und lediglich der mit Kohlenstaub beladene Primär­ luftstrom nunmehr in Richtung des Mittelpunktes der Brennerebenen ausgerichtet wird. Dies erfordert lediglich einen geringen Umbauaufwand für bereits vorhandene, nach dem Stand der Technik arbeitende, Brennersysteme.

Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch derart umgesetzt werden, daß sowohl die Sekundärluftströme der Brenner einer Brennerebene als auch die Primärluftströme jeweils auf einen diesen zugeordneten Brennkreis gerich­ tet sind, wobei der Brennerkreis für die Primärluftströme einen kleineren Durchmes­ ser aufweist. Auf diese Weise können die ursprünglichen Vorteile der Tangentialfüh­ rung im Hinblick auf das Feuerungsverhalten im Kessel im wesentlichen beibehalten werden, wobei sich zusätzlich noch der gewünschte Effekt der Ausbildung eines Luftschleiers zum Schutz der Feuerraumwände durch Sekundärluft ergibt.

Ein Kohlenstaubbrenner für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist mit einer Düse für einen mit Kohlenstaub beladenen Primärluftstrom und mindestens einer weiteren Düse für einen Sekundärluftstrom ausgerüstet und zeichnet sich da­ durch aus, daß die Düse für den Primärluftstrom und die Düse für den Sekundärluft­ strom in verschiedenen Ebenen liegen und unter verschiedenen Winkeln in den Feu­ erraum gerichtet sind, wobei bezogen auf die einem Brenner jeweils in gleicher Dreh­ richtung benachbarten Feuerraumwand der Einleitwinkel der Sekundärluftstromdüse kleiner ist als der der Primärluftstromdüse.

Vorzugsweise sind dabei die Primärluftdüsen aller Brenner einer Brennerebene zum Mittelpunkt der Brennerebene und die Sekundärluftdüsen der Brenner der gleichen Brennerebene tangential auf einen in der Brennermitte vorgesehenen fiktiven Brenn­ kreis gerichtet.

Es hat sich gezeigt, daß im Kohlenstaubbrenner selbst das Strömungsverhalten der Primärluft weiter optimiert werden kann, wenn der Primärluftkanal nicht wie beim Stand der Technik unterschiedliche Querschnitte, sondern einen einzigen konstanten Querschnitt aufweist. Zusätzlich sollte der Strömungskanal nicht wie bisher mit einem rechteckigen, sondern mit einem runden Querschnitt versehen sein.

In einer weiteren Ausgestaltungsform des vorgenannten Kohlenstaubbrenners wird der Primärluftkanal so geformt, daß er sich im Austrittsbereich entweder erweitert o­ der verjüngt, wobei der Querschnitt der Austrittsöffnung bis zu 15% größer oder kleiner sein kann als die Eintrittsöffnung des Primärluftkanals. Hierdurch ist es mög­ lich, die Eintrittsgeschwindigkeit des kohlestaubbeladenen Primärluftstromes in den Feuerraum hinein optimal auszulegen.

Eine weitere Optimierung der erfindungsgemäßen Kohlenstaubbrenner ist zusätzlich dadurch gewährleistet, daß in einem weiteren Brennerquerschnitt für Umluft, welcher bei derartigen Brennersystemen üblich ist, zusätzlich axial verschiebbare Drallkörper angeordnet sind. Durch diese Drallkörper kann zusätzlich die Flammenbildung und Flammenführung im Feuerraum beeinflußt und optimiert, sowie ein Rückschlag der Flamme in die Primärluftdüse hinein vermieden werden.

Weitere Erläuterungen sind den in den Figuren schematisch dargestellten Ausfüh­ rungen zu entnehmen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Eckenfeuerung mit jeweils in den Ecken angeordneten Strahlbrennern, deren Massenströme durch Pfeile schema­ tisch dargestellt sind;

Fig. 2 den Aufriß einer Eckenfeuerung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung, eben­ falls in schematischer Darstellung;

Fig. 4 den Aufriß einer Eckenfeuerung nach Fig. 3.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine mögliche Brennerebene eines quadratischen Feuer­ raumes mit Seitenwänden 1, 2, 3 und 4, in deren Ecken Kohlenstaubbrenner 5, 6, 7, und 8 schematisch dargestellt sind.

Die Anzahl der Primärluftdüsen 31 und Sekundärluftdüsen 32 je Kohlenstaubbrenner ist erfindungsgemäß variabel und hängt von der Dimensionierung des Kraftwerks­ kessels ab. Wichtig ist, daß jede Primärluftdüse 31 sich zwischen darüber und dar­ unter befindlichen Sekundärluftdüsen 32 befindet.

In den Fig. 1 bis 4 besteht beispielhaft jeder Kohlenstaubbrenner aus einer Pri­ märluftdüse 31 und zwei Sekundärluftdüsen 32.

Die Primärluftströme sind in den Fig. 1 und 2 mit den Bezugsziffern 9, 10, 11 und 12 belegt, während den entsprechenden Sekundärluftströmen die Bezugsziffern 13, 14, 15 und 16 zugeordnet sind.

Bezogen auf die einem Brenner jeweils in gleicher Drehrichtung benachbarten Feu­ erraumwand, also bezogen auf die Wand 1 im Hinblick auf den Brenner 5, auf die Wand 2 im Hinblick auf den Brenner 6, auf die Wand 3 im Hinblick auf den Brenner 7 und die Wand 4 im Hinblick auf den Brenner 8 sind dabei erfindungsgemäß die Ein­ leitwinkel 17 für die Sekundärluftströme 13, 14, 15 und 16 kleiner ausgebildet als die Einleitwinkel 18 für die Primärluftströme 9, 10, 11 und 12. Auf diese Weise wird er­ reicht, daß ein Teil der einströmenden Sekundärluft in den Bereich der Außenwände 1, 2, 3 und 4 zusätzlich gelangt und in diesen Bereichen dazu beiträgt, eine oxidie­ rende Atmosphäre aufzubauen und zu erhalten. Dies wiederum führt zu einer erheb­ lichen Reduzierung des Verschleißes dieser Wände.

Zweckmäßigerweise liegen gemäß der Erfindung die Winkel 19 zwischen den grundrißlichen Projektionen der Primärluftströme und der Sekundärluftströme im Be­ reich zwischen etwa 5 und 8°, vorzugsweise bei etwa 6°.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Primärluftströme 9, 10, 11 und 12 un­ mittelbar auf den Flächenmittelpunkt gerichtet, während die Sekundärluftströme 13, 14, 15 und 16 tangential zu einem in der Flächenmitte fiktiv vorgesehenen Brenn­ kreis 20 gerichtet sind.

Die beschriebene Führung der Primär- bzw. Sekundärluftströme läßt sich auch bei vorhandenen Brennersystemen auf einfache Weise einstellen, ohne daß hierzu um­ fangreiche und damit kostenintensive Nachrüstarbeiten erforderlich würden. Der Nachrüstaufwand steht sicherlich in keinem Verhältnis zu den Maßnahmen, die z. B. durch Anordnung von zusätzlichen Düsen für Oberluft oberhalb der Kohlenstaub­ brenner erforderlich würden.

Die Ausbildungsform nach Fig. 3, für die im Prinzip die gleichen Bezugsziffern gel­ ten, unterscheidet sich von der nach Fig. 1 im wesentlichen nur dadurch, daß nun­ mehr auch die Primärluftströme 21, 22, 23, 24 nicht direkt zum Flächenmittelpunkt hin, sondern tangential zu einem inneren Brennkreis gerichtet sind, wobei der Durchmesser dieses Brennkreises 25 selbstverständlich im Sinne der Erfindung klei­ ner ist als der Durchmesser des äußeren Brennkreises 26, welcher tangential von den Sekundärluftströmen 27, 28, 29, 30 berührt wird.

Claims (13)

1. Verfahren zum Verbrennen von staubförmigem Brennstoff in einem Kraft­ werkskessel mit einem im Querschnitt in etwa quadratischen Feuerraum und mit mehreren übereinander liegenden Brennerebenen für Kohlenstaubbren­ ner, wobei die Kohlenstaubbrenner in den Ecken des Feuerraums positioniert sind und jeweils mindestens eine Düse für einen mit Kohlenstaub beladenen Primärluftstrom sowie weitere Düsen für Sekundärluftströme aufweisen, da­ durch gekennzeichnet, daß die Primärluftstromdüsen und Sekundärluftstrom­ düsen übereinander liegen und der mit Kohlenstaub beladene Primärluftstrom und der Sekundärluftstrom unter verschiedenen Winkeln in den Feuerraum eingeleitet werden, wobei, bezogen auf die einem Brenner jeweils in gleicher Drehrichtung benachbarten Feuerraumwand, der Einleitwinkel des Sekundär­ luftstroms kleiner ist als der des Primärluftstroms.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft­ ströme der Brenner einer Brennerebene tangential auf einen in der Brenner­ ebenenmitte fiktiv vorgesehenen Brennkreis gerichtet werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärluftströme der Brenner tangential auf einen in der Brennerebene fiktiv vorgesehenen Brennkreis gerichtet werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des fiktiven Brennkreises für die Primärluftströme kleiner ist als der Durchmesser des fiktiven Brennkreises für die Sekundärluftströme.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärluftströme der Brenner einer Brennerebene in Richtung des Flä­ chenmittelpunktes der Brennerebene geleitet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Brenner einer Brennerebene der Winkel zwischen Sekundärluft­ strom und Primärluftstrom zwischen etwa 5 und 8°, vorzugsweise bei etwa 6°, liegt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Primärluftströme gebildeten Brennkreise auf einer anderen Ebe­ ne liegen, als die durch die Sekundärluftströme gebildeten Brennkreise.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Primärluftströme gebildeten Brennkreisebenen immer zwischen mindestens zwei durch Sekundärluftströme gebildeten Brennkreisebenen lie­ gen.

9. Kohlenstaubbrenner für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Düse für einen mit Kohlenstaub beladenen Primärluftstrom und mindes­ tens einer weiteren Düse für einen Sekundärluftstrom, dadurch gekennzeich­ net, daß die Düse für den mit Kohlenstaub beladenen Primärluftstrom und die Düse für den Sekundärluftstrom übereinander liegen und unter verschiedenen Winkeln in den Feuerraum gerichtet sind, wobei, bezogen auf die einem Bren­ ner jeweils in gleicher Drehrichtung benachbarten Feuerraumwand, der Ein­ leitwinkel der Sekundärluftstromdüse kleiner ist als der der Primärluftstromdü­ se.

10. Kohlenstaubbrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Pri­ märluftdüsen der Brenner einer Brennerebene zum Mittelpunkt der Brenner­ ebene und die Sekundärluftdüsen der Brenner einer Brennerebene tangential auf einen in der Brennermitte vorgesehenen fiktiven Brennkreis gerichtet sind.

11. Kohlenstaubbrenner nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der Primärluftkanal im Brenner einen konstanten Querschnitt auf­ weist.

12. Kohlenstaubbrenner nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Querschnitt im Austrittsbereich des Primärluftkanals im Brenner bis zu 15% größer oder kleiner ist als der Querschnitt im Eintrittsbe­ reich des Primärluftkanals.

13. Kohlenstaubbrenner nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einem weiteren Brennerquerschnitt für Umluft axial ver­ schiebbare Drallkörper angeordnet sind.