DE10114094C2 - Verfahren zum Verbrennen von staubförmigen Brennstoff in einem Kraftwerkskessel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein 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, die Primärluftstromdüsen und Sekundärluftstromdüsen übereinander liegen und der mit Kohlenstaub beladene Primärluftstrom und der Sekundärluftstrom unter verschiedenen Winkeln in den Feu­ erraum eingeleitet werden, wobei, bezogen auf die einem Brenner jeweils in gleicher Drehrichtung benachbarten Feuerraumwand, der Einleitwinkel des Sekundärluft­ stroms kleiner ist als der des Primärluftstroms.

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 Luftüberschuß 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 wird in der EP 0 022 454 ein Verfahren zum Verbrennen von staubförmigem Brennstoff in einem Kraftwerkskessel mit einem im Querschnitt in etwa quadratischen Feuerraum und mit mehreren übereinander lie­ genden Brennerebenen für Kohlenstaubbrenner vorgeschlagen, die übereinander liegenden Primärluftdüsen und Sekundärluftdüsen jeden Brenners so anzuordnen, daß 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 Sekundärluftstromes kleiner ist als der des Primärluftstroms. Dabei sind die Düsen sowohl der Primärluft als auch der Sekundärluft jeweils tangential auf imaginäre Kreise im Brennraum gerichtet, um dadurch eine ausreichende Verwirbe­ lung zwischen Brennstoff und Verbrennungsluft und gleichzeitig eine gleichmäßige Verteilung über den Brennraum zu erreichen.

Die betriebliche Erfahrung zeigt aber, daß diese Betrachtungsweise, die sich immer nur auf eine einzelne Brennerebene bezieht, nicht im gesamten Brennraum zum ge­ wünschten Erfolg führt. Dies liegt daran, daß zwar im unteren Bereich des Raumes, in dem sich die Brenner befinden, der gewünschte Effekt (überstöchiometrische Verbrennung im Wandbereich/stöchiometrische Verbrennung im Kernbereich des Raumes) eintritt, im Kernbereich die stöchiometrische Verbrennung aber in eine ü­ berstöchiometrische Verbrennung in den oberen Ebenen übergeht, da hier durch den unverbrauchten Sauerstoff im Wandbereich der unteren Ebenen ein Überangebot an. Sauerstoff auch im Kernbereich vorliegt. Damit wird eine zusätzliche NO_x-Entstehung gefördert.

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 im gesamten Brennraum keine reduzierende Atmosphäre einstellt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsge­ mäß dadurch gelöst, daß die Primärluftströme der Brenner einer Brennerebene in Richtung des Flächenmittelpunktes der Brennerebene geleitet werden.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also vorgeschlagen, die beiden Luftströme derart zu entkoppeln, daß zum einen die Strömungsrichtung der Sekun­ därluft näher zu einer benachbarten Feuerraumwand gerichtet ist als die der mit Kohlenstaub beladenen Primärluft, und zum anderen, daß der mit Kohlenstaub bela­ dene Primärluftstrom in Richtung des Mittelpunktes der Brennerebenen ausgerichtet wird. Dies erfordert lediglich einen geringen Umbauaufwand für bereits vorhandene, nach dem Stand der Technik arbeitende, Brennersysteme. Ähnlich wie bei der weiter oben beschriebenen Anordnung der Düsen von Primär- und Sekundärluftdüsen im Bereich der Kohlenstaubbrenner wird hierbei durch einen Teil der Sekundärluft im Bereich der Feuerraumwand ein Luftschleier 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 erfindungsgemäß vorgeschlagene Änderung der Düsenrichtung bewirkt darüber hinaus weitere wesentliche Veränderungen in der Brennstoff/Luft-Verteilung inner­ halb des Feuerraumes, und zwar nicht nur radial zwischen Brennerebenenmittel­ punkt und Außenwand sondern auch axial über die gesamte Höhe des Brennrau­ mes. Durch die Konzentration des Brennstoffes auf den Brennerebenen-Mittelpunkt entsteht in den unteren Brennerebenen zwar eine unterstöchiometrische Verbren­ nung im Brennraum-Mittelpunkt, diese geht aber in den oberen Ebenen in eine stö­ chiometrische, nicht aber in eine überstöchiometrische Verbrennung über. Betrachtet man also den Verbrennungsprozeß insgesamt und nicht nur ebenenweise, wird durch die vorgeschlagene Brennersystematik der NO_x-Ausstoß gegenüber dem Stand der Technik weiter verringert, ohne die Verbrennung des Kohlenstaubes nachteilig zu beeinflussen.

Die beschriebenen Primärluft- und Sekundärluftverhältnisse 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 bzw. stöchiometrischen 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. Dadurch ist gewährleistet, daß die mit dem Primärluftstrom transportierten Brennstoffpartikel durch den Sekundärluftstrom ausreichend verwirbelt werden. Unterstützt werden kann dies zusätzlich dadurch, daß die Primärluftströme immer zwischen mindestens zwei, durch Sekundärluftströme gebildeten, Brennkreisebenen liegen.

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 Drehrichtung benachbarten Feuerraumwand der Einleitwinkel der Sekundärluftstromdüse kleiner ist als der der Primärluftstromdüse. Dabei sind die Primärluftdüsen aller Bren­ ner einer Brennerebene zum Mittelpunkt der Brennerebene und die Sekundärluftdü­ sen der Brenner der gleichen Brennerebene tangential auf einen in der Brennermitte vorgesehenen fiktiven Brennkreis 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.

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 und 2 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°.

Erfindungsgemäß sind die Primärluftströme 9, 10, 11 und 12 unmittelbar auf den Flä­ chenmittelpunkt gerichtet, während die Sekundärluftströme 13, 14, 15 und 16 tan­ gential zu einem in der Flächenmitte fiktiv vorgesehenen Brennkreis 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.

Claims (9)

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, die Primärluftstromdüsen und Sekundärluftstromdüsen übereinander liegen und der mit Kohlenstaub beladene Primärluftstrom und der Sekundärluftstrom un­ ter verschiedenen Winkeln in den Feuerraum eingeleitet werden, wobei, bezo­ gen auf die einem Brenner jeweils in gleicher Drehrichtung benachbarten Feuerraumwand, der Einleitwinkel des Sekundärluftstroms kleiner ist als der des Primärluftstroms, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärluftströme der Brenner einer Brennerebene in Richtung des Flächenmittelpunktes der Bren­ nerebene geleitet werden.

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 einem der Ansprüche 1 bis 2, 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.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärluftströme auf einer anderen Ebene liegen, als die durch die Sekun­ därluftströme gebildeten Brennkreise.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Primärluftströme gebildeten Brennkreisebenen immer zwischen mindestens zwei durch Sekundärluftströme gebildeten Brennkreisebenen lie­ gen.

6. 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 und die Primärluftdüsen der Brenner einer Brennerebene zum Mittelpunkt der Brennerebene und die Sekundärluftdüsen der Brenner einer Brennerebe­ ne tangential auf einen in der Brennermitte vorgesehenen fiktiven Brennkreis gerichtet sind.

7. Kohlenstaubbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Pri­ märluftkanal im Brenner einen konstanten Querschnitt aufweist.

8. Kohlenstaubbrenner nach einem der Ansprüche 6 oder 7, 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.

9. Kohlenstaubbrenner nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einem weiteren Brennerquerschnitt für Umluft axial ver­ schiebbare Drallkörper angeordnet sind.