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Die
Erfindung betrifft einen Dampferzeuger und ein Verfahren zum Betreiben
eines Dampferzeugers.
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An
Dampferzeugern mit Linear- oder Tangentialfeuerung bilden sich Rauchgasströmungen aus,
die zusätzlich
zu den axial ausgerichteten Strömungskomponenten
radial ausgerichtete Strömungskomponenten
aufweisen. Diese radial ausgerichteten Strömungskomponenten können sowohl durch
unterschiedliche Druckverhältnisse
im Feuerraum als auch durch gegenseitige Beeinflussung der Strömungspfade
gegenüberliegender
Brenner unter gleichzeitiger Einwirkung der Zirkulationsgebiete
im Feuerraum verursacht werden und bewirken einen mehr oder weniger
großer
Rauchgasstrom mit z.T. noch reaktionsfähigen Brennstoffprodukten in
Richtung der Kesselseitenwände.
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Infolgedessen
bilden sich Sauerstoffmangelgebiete, die sich aufgrund der geometrischen
Verhältnisse
bevorzugt auf der Mitte der Kesselwände ausbreiten, bedingt durch
Druckunterschiede jedoch häufig
auch ihre Position verändern
können,
und langfristig zu einer Materialschädigung aufgrund von Rohrwandkorrosion
führen.
Das Phänomen
der Ausbildung solcher Sauerstoffmangelgebiete wird nachfolgend
anhand der schematischen Darstellungen in 10 und 11 erläutert.
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10 zeigt schematisch einen
mittels Linear- oder Boxerfeuerung betriebenen Feuerraum 1 eines
Dampferzeugers, welcher durch eine Vorderwand 2, eine Rückwand 3 und
Seitenwände 4 und 5 begrenzt
wird, in Seitenansicht (10a) bzw.
in Schnittansicht entlang der Linie A-A (10b). An der Vorderwand 2 und
der Rückwand 3 ist
einander gegenüberliegend
jeweils eine Mehrzahl von Brennern (symbolisiert durch die Pfeile 6 bzw. 7)
auf gleicher Höhe
in einer oder mehreren übereinanderliegenden Brennerebenen
angeordnet. Die durch Linien 8 symbolisierten Brennerströme treffen
bei dieser Anordnung in der Feuerraummitte so aufeinander, dass sich
eine resultierende Strömung
in Richtung der Seitenwände 4 und 5 ausbildet,
wodurch an den gestrichelt dargestellten Bereichen 9 und 10 Sauerstoffmangelgebiete
entstehen.
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Eine
quantitative Darstellung der oben beschriebenen Verhältnisse
bei Ausbildung von Sauerstoffmangelgebieten in einem mittels Linear-
oder Boxerfeuerung betriebenen Feuerraum ist in 11 gegeben, wobei Bereiche unterschiedlicher
Sauerstoffkonzentrationen im Feuerraum jeweils mit verschiedenen
Grauwerten dargestellt werden; die in der Abbildung links gezeigte
Skala gibt zu jedem Grauwert den zugehörigen Sauerstoff-Massenanteil an.
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12 zeigt schematisch einen
mittels Ecken- oder Tangentialfeuerung betriebenen Feuerraum 11 eines
Dampferzeugers, welcher durch eine Vorderwand 12, eine
Rückwand 13 und
Seitenwände 14 und 15 begrenzt
wird, in Seitenansicht (12a) bzw.
in Schnittansicht entlang der Linie B-B (12b).
In den vier Eckbereichen des Kesselkörpers ist auf gleicher Höhe in einer
oder mehreren übereinander
liegenden Brennerebenen eine Mehrzahl von Brennern (symbolisiert
durch die Pfeile 16–19)
zu einer Eckenfeuerung angeordnet. Die durch Linien 20 symbolisierten
Brennerströme
werden durch den stetig steigenden Füllungsgrad im Feuerraum 11 vor
allem in den höhergelegenen
Bereichen an die Vorderwand 12, die Rückwand 13 und die
Seitenwände 14 und 15 gedrückt, wodurch
an den gestrichelt dargestellten Bereichen 21–24 Sauerstoffmangelgebiete
entstehen.
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Zur
Vermeidung von Sauerstoffmangelgebieten und damit zum Schutz vor
Korrosionsangriffen ist es bekannt, Wandluftdüsen in Brennergruppen zu integrieren
(z.B. bei Tangentialfeuerungen), über die ein Luftteilstrom,
abgelenkt von der Brennerströmungsachse,
in Richtung Feuerraumwand geleitet wird. Ferner ist es bekannt,
Seitenluftdüsen
neben wandnahen Brennern zu installieren, über die ein Luftstrom mit hoher
Geschwindigkeit parallel zur Brennerströmungsachse in den Feuerraum
in unmittelbarer Wandnähe
eingeblasen wird. Diese Maßnahmen
haben jedoch den Nachteil, dass zum einen durch die hohe Ausströmungsgeschwindigkeit
des aus den Seitenluftdüsen
zugeführten
Luftstromes neue Wirbel gebildet werden, die sauerstoffarmes Rauchgas
an die Kesselwände
leiten, und zum anderen häufig
die Eindringtiefe dieser Luftströmungen
in die zähere
Rauchgasströmung
unzureichend ist, so dass eine Sauerstoffanreicherung in den gefährdeten Kesselbereichen
nicht erreicht werden kann, was in zahlreichen Versuchen mit Variation
der Seiten- und Brennerluftmengen an verschiedenen Kesselanlagen
und in numerischen Simulationsmodellen nachvollzogen wurde.
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Beispielhaft
sind in 13 die berechneten Modellierungsergebnisse
für ein
Sauerstoffkonzentrationsfeld bei einer Anordnung mit neben den Brennern 30 angeordneten
Seitenluftdüsen 31 gezeigt. Bereiche
unterschiedlicher Sauerstoffkonzentrationen im Feuerraum sind jeweils
mit verschiedenen Grauwerten dargestellt, wobei die in der Abbildung links
gezeigte Skala zu jedem Grauwert den zugehörigen Sauerstoff-Massenanteil
angibt. Wie aus der Modellierung ersichtlich, wird keine wirksame Sauerstoffanreicherung
in dem zu schützenden
Seitenwandbereich 32 erreicht. Ein stärkerer Transport in den zu
schützenden
Seitenwandbereich 32 kann nur unter Einsatz großer Luftmengen
erfolgen, was sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus wärme- und emissionstechnischer
Sicht nachteilig bzw. nicht vertretbar ist.
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Aus
WO 98/16779 ist es bekannt, zum Korrosionsschutz der Feuerraumseitenwände in einem Dampferzeuger
Wandluftdüsen
in den gefährdeten Feuerraumseitenwänden anzubringen.
Diese Wandluftdüsen
werden in einer oder mehreren horizontalen Reihen oder in einer
bogenförmigen
Geometrie über
die gesamte Wandbreite angeordnet, um mittels der in die Wandluftdüsen eingespeisten
Wandluft und unter Ausnutzung vertikaler Strömungskomponenten in der Feuerraumströmung eine
Korrosionsschutzschicht auf den Seitenwänden auszubilden.
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Auch
diese Maßnahmen
haben jedoch den Nachteil, dass sich über die Höhe des Brennergürtels weiterhin
Sauerstoffmangelgebiete zwischen den ggf. mehreren horizontalen
Düsenreihen
ausbilden. Dies ist aus der in 14 gegebenen
Darstellung von Modellierungsergebnissen ersichtlich, wobei die in
der Abbildung links gezeigte Skala wiederum zu jedem Grauwert den
zugehörigen
Sauerstoff-Massenanteil
angibt. Die Brenner sind in dieser Darstellung mit dem Bezugszeichen 40,
die horizontalen Düsenreihen
mit 41 bezeichnet. Wie aus den Modellierungsergebnissen
ersichtlich, bildet sich zwischen den horizontalen Düsenreihen 41 ein
Sauerstoffmangelgebiet 42 aus. Auch bei einer solchen Anordnung sind
somit die Seitenwände
weiterhin einer Beschädigung
infolge Korrosion ausgesetzt.
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Zusammenfassend
werden gemäß den bekannten
Ansätzen
zur Schaffung eines Korrosionsschutzes Wandluftdüsen entweder als Seitenluftdüsen neben
den Brennern oder in die Brennergruppen integriert (z.B. bei Tangentialfeuerungen)
oder in einer oder mehreren, im wesentlichen horizontalen Reihen
auf den (nicht mit Brennern bestückten)
Seitenwänden
angeordnet. Ein Korrosionsschutz ist bei diesen Anordnungen entweder
unzureichend oder nur mit aus wirtschaftlicher sowie wärme- und emissionstechnischer
Sicht nicht vertretbarem Wandluftmengenbedarf realisierbar.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Dampferzeuger und
ein Verfahren zum Betreiben eines Dampferzeugers zu schaffen, mittels derer
eine Beschädigung
der Kesselwand insbesondere durch Korrosion wirksam verhindert wird.
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Diese
Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der
unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zum Betreiben eines Dampferzeugers, bei welchem ein durch Kesselwände begrenzter
Feuerraum mittels Brennstoff-Verbrennung unter Ausbildung eines Rauchgasstromes
mit einer Mehrzahl von Brennern gefeuert wird, weist folgende Schritte
auf:
- – Bestimmen
der Strömungsgeschwindigkeitscharakteristik
einer in Bezug auf den Feuerraumboden horizontalen Feuerraumgrundströmung;
- – Ermitteln
eines Quellenbereichs der horizontalen Feuerraumwandströmung an
wenigstens einer nicht mit Brennern bestückten Kesselwand; und
- – Einspeisen
eines Isoliergases im Quellenbereich der horizontalen Feuerraumwandströmung, so
dass durch horizontale Ausbreitung des Isoliergases mittels der
Feuerraumgrundströmung
eine die jeweilige Kesselwand vom Rauchgasstrom isolierende Isoliergasschicht
erzeugt wird.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei der
Befeuerung eines Dampferzeugers die in Bezug auf den Feuerraumboden
horizontale Strömungskomponente,
vor allem im Brennergürtelbereich,
gegenüber
der vertikalen Komponente dominiert. Durch die erfindungsgemäße Zufuhr des
Isoliergases (z.B. der Wandluft) im Quellenbereich dieser horizontalen
Komponente der Feuerraumgrundströmung
an der Feuerraumwand wird diese Strömung effektiv zur Verteilung
des Isoliergases entlang der zu schützenden Feuerraumwand genutzt,
so dass der Entstehung von Sauerstoffmangelgebieten und damit einer
Korrosion wirksam vorgebeugt wird.
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Unter
dem Begriff "Isoliergasschicht" ist im Sinne der
Erfindung eine Gasschicht zu verstehen, welche relativ zu dem Rauchgasstrom
einen so geringen Eintrittsimpulsstrom in den Feuerraum aufweist,
dass eine Vermischung der Isoliergasschicht mit dem Rauchgas infolge
der fehlenden Mischenergie in der Isoliergasschicht gar nicht oder
jedenfalls so stark verzögert
auftritt, dass gegenüber
dem in unmittelbarer Nähe
zum Kesselwandbereich befindlichen Rauchgasstrom eine der Beeinflussung
der kesselwandbereichsnahen Atmosphäre entgegenwirkende, den Kesselwandbereich
also in diesem Sinne gegen den Rauchgasstrom "isolierende" Schutzschicht gebildet wird.
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Unter
dem Begriff "Quellenbereich" ist im Sinne der
Erfindung ein Bereich zu verstehen, von dem aus die betreffende
Wandströmung
bzw. deren horizontale Komponente ausgeht und in dem die resultierende
Strömungsgeschwindigkeit
im wesentlichen Null beträgt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform erfolgt
das Einspeisen des Isoliergases über
eine in wenigstens einer Feuerraumwand vorgesehene Gaszufuhrdüsenanordnung,
welche in einer Mehrzahl von einander benachbarten, in Bezug auf
den Feuerraumboden horizontalen Ebenen jeweils genau eine Gaszufuhrzone
aufweist, die im Quellenbereich der dieser Ebene zugeordneten zugehörigen horizontalen
Komponente der Feuerraumwandströmung angeordnet
ist.
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Der
Feuerraum kann eine symmetrische Brenneranordnung aufweisen, und
die Gaszufuhrdüsen
können
in einer entlang der vertikalen Mittellinie der betreffenden Feuerraumwand
verlaufenden, in Bezug auf den Feuerraumboden vertikalen Linie angeordnet
sein.
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Vorzugsweise
erstreckt sich die Gaszufuhrdüsenanordnung
im wesentlichen über
die Brennergürtelhöhe des Feuerraums.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform weist
der Feuerraum zwischen gegenüberliegenden Kesselwänden eine
Zwischenwand auf, und die im Quellenbereich der Feuerraumwandströmung angeordneten
Gaszufuhrdüsen
sind in der Zwischenwand vorgesehen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform erfolgt
das Einspeisen des Isoliergases über
einen an wenigstens einer Feuerraumwand vorgesehenen, sich im wesentlichen über der
Brennergürtelhöhe mehr
oder weniger durchgängig
erstreckenden, in Bezug auf den Feuerraumboden vertikalen Gaszufuhrschlitz.
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Als
Isoliergas wird vorzugsweise Luft verwendet, die aus der Verbrennungsgasversorgung des
Feuerraums zugeführt
wird.
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Der
Volumenanteil der als Isoliergas verwendeten Luft beträgt vorzugsweise
maximal 10 %, noch bevorzugter maximal 5 %, von der zur Umsetzung des
Brennstoffs benötigten
Gesamtluftmenge.
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Als
Isoliergas kann auch ein oxidierendes Gas oder ein inertes Gas verwendet
werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wird
der Isoliergasstrom in einzelnen Kesselwandsektoren unabhängig erzeugt,
so dass etwaigen in den Kesselwandsektoren aufgrund der geometrischen
Verhältnisse
und der sich einstellenden Druckunterschiede unterschiedlich starken
Rauchgasströmungen
je nach den im betreffenden Sektor vorliegenden Bedingungen durch
eine ortsabhängige
Variation des Isoliergasstroms Rechnung getragen werden kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist
der Dampferzeuger Analysemittel zur Ermittlung von Volumenanteilen
von Rauchgaskomponenten in der benachbart zur Kesselwand vorliegenden Gasatmosphäre und eine
Regeleinrichtung zum Regeln des Isoliergasstromes in Abhängigkeit
von den ermittelten Volumenanteilen auf. Die hierbei ermittelten
Rauchgaskomponenten umfassen vorzugsweise Sauerstoff und Kohlenmonoxid,
können
jedoch je nach Anforderungen auch weitere Rauchgaskomponenten, insbesondere
HCl und/oder H2S umfassen.
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Die
Ermittlung von Volumenanteilen der Rauchgaskomponenten und/oder
das Regeln des Isoliergasstromes ist hierbei vorzugsweise in einzelnen
Kesselwandsektoren unabhängig
voneinander durchführbar.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die Ermittlung von Volumenanteilen der Rauchgaskomponenten und/oder
das Regeln des Isoliergasstromes in unabhängigen Meßzyklen wiederholt durchführbar. Auf
diese Weise kann einer zeitlichen Variation der an der Kesselwandoberfläche bzw.
in den einzelnen Kesselwandsektoren jeweils vorliegenden Bedingungen
durch entsprechende Regelung des Isoliergasstromes Rechnung getragen
werden, wodurch der erfindungsgemäß erreichte Schutz gegen eine
Beschädigung
der Kesselwand durch Korrosion noch verbessert wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wird
der Isoliergasstrom aus der Verbrennungsgasversorgung des Feuerraums
zugeführt,
die somit eine doppelte Funktionalität aufweist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist
die Gaszufuhreinrichtung in jedem Kesselwandsektor eine Gaszufuhreinheit
(z.B. Luftkasten) zum Einleiten von Isoliergas an die Kesselwandoberfläche in den
Feuerraum auf.
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Vorzugsweise
sind hierbei die einer Kesselwand zugeordneten Gaszufuhreinheiten
jeweils an eine separat an die Verbrennungsgasversorgung gekoppelte
Hauptleitung angeschlossen. Vorzugsweise weist hierbei jede Hauptleitung
ein Regelorgan zur Gasdurchflussregelung auf, so dass eine selektive Beaufschlagung
der einzelnen Kesselwände über die zugehörige Hauptleitung
erfolgen kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
außerdem
jede Gaszufuhreinheit über
ein Absperrorgan mit der zugeordneten Hauptleitung selektiv koppelbar,
so dass auch eine selektive Beaufschlagung der einzelnen Kesselwandsektoren
erfolgen kann.
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Hierbei
werden vorzugsweise das Regelorgan der jeweiligen Hauptleitung und/oder
das Absperrorgan des jeweiligen Luftkastens in Abhängigkeit
von den ermittelten Volumenanteilen von Rauchgaskomponenten in der
benachbart zur Kesselwand vorliegenden Gasatmosphäre angesteuert.
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Hierbei
können
die Brenner insbesondere sowohl zu einer Linearfeuerung als auch
zu einer Tangentialfeuerung des Feuerraums angeordnet sein.
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Ein
Dampferzeuger gemäß der vorliegenden Erfindung
weist auf:
- – einen durch Kesselwände begrenzten
Feuerraum;
- – eine
Mehrzahl von Brennern zur Feuerung des Feuerraums mittels Brennstoff-Verbrennung
unter Ausbildung eines Rauchgasstromes; und
- – eine
Gaszufuhreinrichtung zum Einspeisen eines Isoliergases; wobei die
Gaszufuhreinrichtung im Quellenbereich einer horizontalen Feuerraumwandströmung an
wenigstens einer Kesselwand derart angeordnet ist, dass durch horizontale
Ausbreitung des eingespeisten Isoliergases mittels der Feuerraumgrundströmung eine
die jeweilige Kesselwand vom Rauchgasstrom isolierende Isoliergasschicht
erzeugbar ist.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung
und den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen
dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 in
einem Horizontalschnitt eines Feuerraumes ein erfindungsgemäß berechnetes
Geschwindigkeitsvektorfeld für
horizontale Feuerraumströmungen;
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2 zusätzlich zur
Darstellung aus 1 (unterer Teil) ein erfindungsgemäß berechnetes
Sauerstoffkonzentrationsfeld (oberer Teil);
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3 eine
schematische perspektivische Teilansicht eines Feuerraumes mit einer
im Seitenwandbereich angeordneten vertikalen Düsenreihe gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei die berechnete Sauerstoffkonzentration
(Massenanteile) dargestellt ist;
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4 in
einem Horizontalschnitt des Feuerraumes gemäß der Ausführungsform aus 3 ein berechnetes
Sauerstoffkonzentrationsfeld (oben) und ein Geschwindigkeitsvektorfeld
(unten);
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5 eine
schematische Seitenansicht im Schnitt eines Feuerraumes zur Darstellung
einer Düsenanordnung
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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6 eine
schematische Seitenansicht im Schnitt eines Feuerraumes zur Darstellung
einer Düsenanordnung
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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7 eine
Prinzipskizze in Seitenansicht zur Darstellung des erfindungsgemäßen Systems
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
für einen Kessel
mit Boxerfeuerung;
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8 eine
zu 7 entsprechende Schnittansicht entlang der Linie
A-A;
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9 eine
vergrößerte Prinzipskizze
in Seitenansicht eines Details aus 7–8 zur
Erläuterung
der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Systems gemäß der bevorzugten
Ausführungsform aus 7–8;
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10 eine
schematische Darstellung des Aufbaus eines Feuerraumes mit Boxer-
oder Linearfeuerung in einem Dampferzeuger gemäß dem Stand der Technik in
Seitenansicht (4a) bzw. im Schnitt
entlang der Linie A-A (4b); und
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11 eine
Darstellung der berechneten Sauerstoffkonzentration im Wandbereich
eines Feuerraums ohne Wandluftzuführung gemäß dem Stand der Technik;
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12 eine
schematische Darstellung des Aufbaus eines Feuerraumes mit Ecken-
oder Tangentialfeuerung in einem Dampferzeuger gemäß dem Stand
der Technik in Seitenansicht (5a) bzw.
im Schnitt entlang der Linie A-A (5b).
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13 in
einem Horizontalschnitt eines Feuerraumes ein berechnetes Sauerstoffkonzentrationsfeld
(oben) sowie ein Geschwindigkeitsvektorfeld (unten) für eine Düsenanordnung
gemäß dem Stand der
Technik; und
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14 eine
schematische perspektivische Teilansicht eines Feuerraumes mit Darstellung
des berechneten Sauerstoffkonzentrationsfeldes für eine weitere Düsenanordnung
gemäß dem Stand
der Technik.
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Gemäß der Erfindung
werden zur Verteilung eines Isoliergasstromes in den zu schützenden
Feuerraumwandbereich Strömungsverhältnisse
ausgenutzt, die dadurch charakterisiert sind, dass entlang der zu
schützenden
Seitenwände
des Feuerraumes eine horizontale Grundströmung besteht. Für diese
in Bezug auf den Feuerraumboden horizontale Grundströmung existiert
an den Seitenwänden
ein "Quellenbereich", von dem ausgehend
die horizontale Ausbreitung der Strömung in Richtung der Feuerraumecken
erfolgt. Diese Situation ist in 1 dargestellt,
in welcher im horizontalen Schnitt durch einen Feuerraum die Feuerraumströmungen anhand
berechneter Geschwindigkeitsvektoren angegeben sind. Unterschiedliche
Beträge
der Strömungsgeschwindigkeit
sind jeweils mit verschiedenen Grauwerten dargestellt, wobei die
in der Abbildung links gezeigte Skala zu jedem Grauwert den zugehörigen Betrag
der Strömungsgeschwindigkeit
(in Einheiten von m/s) angibt. Die Brenner sind in dieser Darstellung
mit dem Bezugszeichen 50 und der Quellenbereich der horizontalen
Komponente der Grundströmung
ist mit 51 bzw. 52 bezeichnet. Die horizontale Komponente der Grundströmung ist
durch die Pfeile 53 symbolisiert.
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In 2 (oberer
Teil) ist zusätzlich
die Ausbildung eines Sauerstoffmangelgebiets dargestellt, sofern
in der Ausgangssituation gemäß 1 keinerlei
Schutzmaßnahmen
getroffen werden.
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Aus
der in 1 dargestellten Simulation läßt sich erfindungsgemäß unmittelbar
im Bereich jeder (nicht mit Brennern 50 bestückten) Seitenwand des
Feuerraums ein Quellenbereich 51, 52 der horizontalen
Grundströmung
an der jeweiligen Seitenwand bestimmen, von dem aus die horizontale
Strömung
(gemäß 1 nach
links und nach rechts entlang der eingezeichneten Pfeile) ausgeht
und in dem die resultierende Strömungsgeschwindigkeit
im wesentlichen Null beträgt.
Genauer ist jeder in Bezug auf den Feuerraumboden horizontalen Ebene
ein solcher Quellpunkt (als Ausgangspunkt der in dieser Ebene vorliegenden
horizontalen Strömungskomponente)
zugeordnet, wobei sämtliche
Quellpunkte aus unterschiedlichen horizontalen Ebenen den Quellenbereich
für die
horizontale Grundströmung
an der betreffenden Seitenwand bilden.
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Die
den Quellenbereich bildenden Quellpunkte bilden somit eine sich
in vertikaler Richtung (insbesondere über den sog. Brennergürtel) erstreckende
Anordnung, die letztlich von den spezifischen Gegebenheiten (Feuerraumgeometrie,
Anordnung von Seiten- sowie etwaigen Zwischenwänden, Brenneranordnung, Brennerbetrieb
etc.) abhängig
ist und die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst bestimmt
wird.
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Die
erfindungsgemäße Detektion
des Quellenbereichs einer horizontalen Grundströmung kann entweder gemäß 1 und 2 mittels
Simulation, z.B. mittels numerischer CFD-Modellierung (CFD= "Computational Fluiddynamics") der Strömungsverhältnisse
im Feuerraum anhand von Kenngrößen der verwendeten
Brenner, Abmessungen etc., oder auch experimentell (über eine
entsprechende im Feuerraumwandbereich angeordnete Sensorik) erfolgen.
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Nachdem
erfindungsgemäß wie oben
beschrieben der Quellenbereich der horizontalen Grundströmung bestimmt
wurde, wird in jeder Seitenwand des Feuerraumes eine Düsenanordnung
so vorgesehen, dass sich die Wandluftdüsen jeweils in dem wie oben
ermittelten Quellenbereich befinden. So sind etwa in dem in 3 gezeigten
Ausführungsbeispiel
mit einer symmetrischen Ausgestaltung des Feuerraumes die Wandluftdüsen in einer
entlang der vertikalen Mittellinie der (nicht mit Brennern 60 bestückten) Seitenwand
verlaufenden, vertikalen Düsenreihe 61 angeordnet.
Die Düsenreihe 61 erstreckt sich
hierbei vorzugsweise wenigstens über
die Brennergürtelhöhe.
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In 4 sind
das sich bei der erfindungsgemäßen Düsenanordnung
aus 3 ergebende Sauerstoffkonzentrationsfeld (obere
Darstellung) sowie die sich ausbildenden Strömungsverhältnisse (untere Darstellung)
veranschaulicht. Aus diesen mittels Simulation erhaltenen Charakteristika
der Sauerstoffkonzentration und der Strömungsgeschwindigkeitsvektoren
wird deutlich, dass durch die erfindungsgemäße Injektion von Luft im Quellenbereich 62, 63 der horizontalen
Wandströmung
eine effektive Ausbreitung der Isolierluft entlang der zu schützenden
Seitenwände
erfolgt, wobei die horizontale Wandströmung im Feuerraum als Transportmedium
genutzt wird.
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Wie
aus 5 und 6 ersichtlich, kommen erfindungsgemäß je nach
Geometrie des Feuerraumes und Anordnung der Seitenwände bzw,
etwaiger Zwischenwände
unterschiedliche konstruktive Ausgestaltungen der Wandluftdüsen zum
Einsatz. Insbesondere zeigt 5 eine Düsenanordnung
an einer inneren Doppel-Mittelwand 71,
welche den Feuerraum in 2 Teilkammern mit gleicher Brennerbestückung 70 unterteilt.
Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
werden Paare von Schlitzdüsen 72 in
ebenfalls vertikaler Anordnung, jedoch mit Schlitzen 72 links
und rechts einer nicht zugänglichen
Verbindungsebene der Doppelwand vorgesehen, wobei die Schlitzdüsen über im Freiraum
der Doppel-Mittelwand verlaufende, schematisch dargestellte, horizontale
Zuleitungen mit Luft bzw. Isoliergas versorgt werden.
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An
den äußeren Feuerraumwänden kann beispielsweise
auch die einfachere, in 6 dargestellte Anordnung gewählt werden,
wobei eine Mehrzahl in einer vertikalen Reihe angeordneter Wandluftdüsen 81 über eine
sich entlang der Feuerraumwand vertikal erstreckende Zuleitung 81 mit
Luft bzw. Isoliergas versorgt werden.
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Der
Abstand und die Öffnungsgröße der Wandluftdüsen in der
erfindungsgemäßen vertikalen Düsenanordnung
kann in Abhängigkeit
von den statischen Verhältnissen
geeignet gewählt
werden. Hierbei wird in der Regel die Isoliergasschutzschicht um so
effektiver erzeugt, je enger der Abstand benachbarter Wandluftdüsen ist,
d.h. je effektiver die betreffende Wandoberfläche im Quellenbereich der horizontalen
Wandströmung
mit Isoliergas beaufschlagt wird. Grundsätzlich sollte bei der Auslegung
der vertikalen Düsenanordnung
somit – je
nach den konkreten Anordnungs- und Konstruktionsmöglichkeiten – das Ideal
eines durchgängigen
vertikalen Schlitzes im Quellenbereich der horizontalen Wandströmung so
weit wie möglich
angestrebt werden.
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Nachfolgend
wird eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung erläutert,
bei der der Isoliergasstrom in einzelnen Kesselwandsektoren unabhängig voneinander
und in Abhängigkeit
von den dort aktuell vorliegenden Bedingungen geregelt werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Düsenanordnung
erfolgt nicht notwendigerweise entlang einer geraden vertikalen
Linie, da die Anordnung im Quellenbereich der horizontalen Wandströmung je
nach den konkreten Strömungsverhältnissen
auch eine nichtlineare Anordnung ergeben kann, bei der in vertikaler
Richtung benachbarte Düsen
gegeneinander horizontal versetzt sind, um jeweils die vorhandene
horizontale Wandströmung
optimal auszunutzen.
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7 und 8 zeigen
eine Prinzipskizze zur Darstellung des Aufbaus und der Funktionsweise eines
erfindungsgemäßen Dampferzeugers
mit Boxerfeuerung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform,
und zwar gemäß 7 in
Seitenansicht und gemäß 8 in
Schnittansicht (entlang der Linie A-A aus
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7).
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Gemäß 7 wird
ein Feuerraum 100 eines Dampferzeugers durch eine Kesselwand
mit einer Vorderwand 101, einer Rückwand 102 und Seitenwänden 103 und 104 begrenzt.
An der Vorderwand 101 und der Rückwand 102 ist jeweils
eine Mehrzahl von Brennern auf gleicher Höhe, paarweise einander gegenüberliegend
sowie in mehreren (gemäß dem Ausführungsbeispiel
drei) übereinanderliegenden Brennerebenen
zu einer Linear- oder Boxerfeuerung angeordnet, wobei die Brenner
durch die Pfeile 105 bzw. 106 symbolisiert sind.
Die durch Linien 107 symbolisierten Brennerströme treffen
in der Feuerraummitte so aufeinander, dass sich eine resultierende Strömung in Richtung
der Seitenwände 103 und 104 ausbildet,
wodurch ohne entsprechende Gegenmaßnahmen an den gestrichelt
dargestellten Bereichen 108 und 109 Sauerstoffmangelgebiete
an den Seitenwänden 103 und 104 entstehen.
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Der
erfindungsgemäße Dampferzeuger
gemäß dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
weist ferner mehrere (gemäß dem Ausführungsbeispiel sechs)
Luftkästen 109–114 auf,
wobei jeder Luftkasten 109–114 jeweils einem
Kesselwandbereich-Sektor
zugeordnet ist. Mittels jedes Luftkastens wird die Isolierluft wie
oben erläutert
im zuvor bestimmten Quellenbereich der horizontalen Komponente der Feuerraumströmung zugeführt.
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Die
an einer Seitenwand 103 bzw. 104 angeordneten
Luftkästen 109–114 gemäß der dargestellten
bevorzugten Ausführungsform
sind jeweils über eine
zugehörige
Einzelleitung 115–120 an
eine gemeinsame Hauptleitung 121 bzw. 122 angeschlossen,
wobei jede Hauptleitung 121 bzw. 122 jeweils eine
gesamte Kesselseitenwand 103 bzw. 104 mit Luft
versorgt. Die Hauptleitungen 121 und 122 sind gemeinsam
an eine Verbrennungsgasversorgung 123 angeschlossen, durch
welche somit sowohl die Luftkästen 109–114 als
auch die Brenner mit Luft versorgt werden. Der jeweilige Luftstrom
ist mittels entlang der Leitungen eingezeichneter gestrichelter
Linien dargestellt.
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Jede
der Einzelleitungen 115–120 weist ein Absperrorgan 124 auf,
mit dem bei Bedarf die Luftversorgung des betreffenden Luftkastens
zu- oder abgeschaltet werden kann. Ferner weist jede Hauptleitung 121 bzw. 122 ein
Regelorgan 125 zum Regeln der durch die betreffende Hauptleitung
hindurchströmenden
Luftmenge auf, welche wiederum durch eine dem Regelorgan 125 vor-
oder nachgeschaltete Meßvorrichtung 126 quantitativ
bestimmt wird.
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Jeder
der Luftkästen 109–114 weist
eine Mehrzahl von (gemäß dem Ausführungsbeispiel
jeweils acht) Gasentnahmestellen 127 auf, wobei jede Gasentnahmestelle 127 über jeweils
eine Messleitung 128 an einen Messstellenumschalter 129 angeschlossen
ist. Von dem Messstellenumschalter 129 gelangt das entnommene
Gas zu einem Analysator 130, der das Gas aus dem wandnahen
Bereich des Feuerraums 100 über den oben beschriebenen
Weg ansaugt und die Zusammensetzung der betreffenden Kesselwandbereich-Atmosphäre analysiert.
Der Analysator 130 ist vorzugsweise für die Bestimmung der Volumenanteile
an Sauerstoff (O2) und Kohlenmonoxid (CO)
ausgelegt, kann jedoch außerdem
je nach Bedarf auch zur Bestimmung der Volumenanteile weiterer Rauchgasbestandteile
wie HCl oder H2S geeignet sein.
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Die
betreffenden innerhalb eines Durchlaufes (Messzyklus) gemessenen
Volumenanteile (insbesondere Sauerstoff- und Kohlenmonoxidanteile) der
betreffenden Kesselwandbereich-Atmosphäre werden
in einer Auswerteeinheit 131 gespeichert und mit vorgegebenen
Sollwerten verglichen, woraufhin die Auswerteeinheit 131 ein
entsprechendes Ausgangssignal ausgibt, gemäß welchem das Absperrorgan 124 in
der Einzelleitung 115–120,
welche dem betreffenden Luftkasten 108–114 zugeordnet ist,
angesteuert wird. Hierbei wird vorzugsweise das betreffende Absperrorgan
zur Erhöhung
des Isoliergaszustroms zu dem jeweiligen Luftkasten 109–114 angesteuert,
wenn der ermittelte Sauerstoff-Volumenanteil abnimmt oder wenn der
ermittelte Volumenanteil an Kohlenmonoxid (oder HCl oder H2S) zunimmt.
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Gleichzeitig
wird, wie aus 9 ersichtlich ist, das Ausgangssignal
der Auswerteeinheit 131 an einen Sollwertsteller 132 geleitet,
welcher den Sollwert für
die Regelung (mittels Regelorgan 125 und Meßvorrichtung 126)
der durch die betreffende Hauptleitung 121 bzw. 122 strömenden Luftmenge bereitstellt.
In dem Sollwertsteller 132 erfolgt auf Basis des Ausgangssignals
der Auswerteeinheit 131 und des Stellungssignal des Absperrorgans 124 eine Neuberechnung
des Luftsollwertes für
die gesamte Kesselseitenwand. Der Luftmengensollwert wird mit der
in der Messvorrichtung 126 gemessenen Luftmenge verglichen,
und der Durchfluss in der betreffenden Hauptleitung 121 bzw. 122 wird
mit Hilfe eines Reglers 133 über das Regelorgan 125 eingestellt, und
zwar derart, dass der Durchfluss zu der betreffenden Kesselwand
erhöht
wird, wenn der für
diese gesamte Kesselwand ermittelte Sauerstoff-Volumenanteil abnimmt
oder wenn der für
diese gesamte Kesselwand ermittelte Volumenanteil an Kohlenmonoxid (oder
HCl oder H2S) zunimmt.
-
Nach
Abschluss eines Messdurchlaufes innerhalb eines Kesselwandbereich-Sektors
werden die gespeicherten Messwerte gelöscht und der Zyklus aus ortsabhängiger Messung
der Kesselwandbereich-Atmosphäre
an aufeinanderfolgenden Meßstellen 127,
entsprechender Ansteuerung von Absperrorganen 124 in den
zu den einzelnen Luftkästen 109–114 führenden
Einzelleitungen 115–120,
Neuberechnung von Luftsollwerten für die gesamte Kesselwand und
entsprechende Ansteuerung des Regelorgans 125 in der betreffenden
Hauptleitung 121 bzw. 122 beginnt erneut.
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Im
Betrieb des erfindungsgemäßen Dampferzeugers
tritt die aus der Verbrennungsgasversorgung über die Hauptleitungen und
die Einzelleitungen in die Luftkästen
einströmende
Luft etwa im Bereich der Kesselwandmitte an mehreren vertikal im Quellenbereich
der horizontalen Komponente der Feuerraumwandströmung angeordneten Stellen (nicht
dargestellt) mit sehr niedriger Geschwindigkeit in den Feuerraum
ein und breitet sich unter Ausnutzung der Feuerraumgrundströmung im
wesentlichen teppichförmig
im rohrwandnahen Gebiet unter Ausbildung einer Isoliergasschicht
aus. Diese Ausbreitung vollzieht sich mit einer im Vergleich zu
dem Rauchgassstrom so geringen Strömungsgeschwindigkeit, dass
eine Vermischung mit dem Rauchgas infolge der fehlenden Mischenergie
in der Gasschicht wenn überhaupt
nur stark verzögert
auftritt. Die so in unmittelbarer Nähe zum Kesselwandbereich gebildete
sauerstoffreiche Luftisolierschicht verhindert auf diese Weise eine
Entstehung von Sauerstoffmangelgebieten in den betreffenden gefährdeten
Bereichen 108 und 109.
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Gemäß der oben
beschriebenen bevorzugten Ausführungsform
kann eine gezielte Regelung der im Kesselwandbereich ausgebildeten
Gasschutzschicht, und zwar sowohl für eine gesamte den Feuerraum
begrenzende Seitenwand 103 bzw. 104 (mittels Regelung
der Luftströmung
durch die Hauptleitung 121 bzw. 122) als auch
der Luftversorgung für einzelne
Sektoren (über
die betreffenden Absperrorgane 124) erfolgen, wobei die
betreffenden Sollwerte für
die Regelung in unabhängigen
Meßzyklen
auf Basis einer wiederholten ortsabhängigen Messung der Kesselwandbereich-Atmosphäre neu festgesetzt werden.
Auf diese Weise kann einer zeitlichen und räumlichen Variation der Strömungsverhältnisse
im Feuerraum und einer hierdurch bedingten Variation der Sauerstoffmangelgebiete
durch entsprechende Regelung der erfindungsgemäß ausgebildeten Gasschutzschicht
Rechnung getragen werden.
-
Wenngleich
somit die beschriebene selektive Regelung vorteilhaft ist, ist sie
zur Verwirklichung der Erfindung nicht unbedingt notwendig. Insbesondere
kann auch unter Weglassung der o.g. Meß- und Regelvorrichtungen eine
konstante Luftzufuhr, und zwar entweder für eine gesamte Kesselwand oder auch
mit in den Kesselwandbereich-Sektoren unterschiedlichen Zufuhrraten
erfolgen.
-
Die
bei dem erfindungsgemäßen System verwendeten
Luftkästen
müssen
nicht über
Haupt- bzw. Einzelleitungen gemeinsam an die Verbrennungsgasversorgung
angeschlossen sein. Alternativ (jedoch weniger bevorzugt) kann auch
eine Versorgung der Luftkästen
aus einer separaten Luftzufuhr vorgesehen sein. Des weiteren ist
die Anzahl der Luftkästen
beliebig, wobei insbesondere auch nur ein Luftkasten pro Feuerraumwand
vorgesehen sein kann.
-
Ferner
ist die Erfindung nicht auf die Zufuhr von Luft für die Isoliergasschicht
beschränkt.
Grundsätzlich
kann auch ein anderes zum Korrosionsschutz geeignetes, inertes oder
oxidierendes Gasgemisch verwendet werden.
-
Wenngleich
die Erfindung am Beispiel eines Dampferzeugers mit Boxerfeuerung
erläutert
wurde, ist sie ebenso auch auf einen Dampferzeuger mit Tangentialfeuerung
anwendbar.
-
- 1
- Feuerraum
- 2
- Vorderwand
- 3
- Rückwand
- 4
- Seitenwand
- 5
- Seitenwand
- 6
- Pfeil
(Brenner)
- 8
- Linien
(Brennerströme)
- 9
- Sauerstoffmangelgebiet
- 10
- Sauerstoffmangelgebiet
- 11
- Feuerraum
- 12
- Vorderwand
- 13
- Rückwand
- 14
- Seitenwand
- 15
- Seitenwand
- 16
- Pfeil
(Brenner)
- 17
- Pfeil
(Brenner)
- 18
- Pfeil
(Brenner)
- 19
- Pfeil
(Brenner)
- 20
- Linien
(Brennerströme)
- 21
- Sauerstoffmangelgebiet
- 22
- Sauerstoffmangelgebiet
- 23
- Sauerstoffmangelgebiet
- 24
- Sauerstoffmangelgebiet
- 30
- Brenner
- 31
- Seitenluftdüsen
- 32
- Seitenwandbereich
- 40
- Brenner
- 41
- horizontale
Düsenreihe
- 42
- Sauerstoffmangelgebiet
- 50
- Brenner
- 51
- Quellenbereich
- 52
- Quellenbereich
- 53
- Pfeile
(Grundströmung)
- 60
- Brenner
- 61
- vertikale
Düsenreihe
- 62
- Quellenbereich
- 63
- Quellenbereich
- 70
- Brenner
- 71
- Mittelwand
- 72
- Schlitze
- 80
- Brenner
- 81
- Wandluftdüsen
- 100
- Feuerraum
- 101
- Vorderwand
- 102
- Rückwand
- 103
- Seitenwand
- 104
- Seitenwand
- 105
- Pfeil
(Brenner)
- 106
- Pfeil
(Brenner)
- 107
- Linien
(Brennerströme)
- 108
- Sauerstoffmangelgebiet
- 109
- Luftkasten
- 110
- Luftkasten
- 111
- Luftkasten
- 112
- Luftkasten
- 113
- Luftkasten
- 114
- Luftkasten
- 115
- Einzelleitung
- 116
- Einzelleitung
- 117
- Einzelleitung
- 118
- Einzelleitung
- 119
- Einzelleitung
- 120
- Einzelleitung
- 121
- Hauptleitung
- 122
- Hauptleitung
- 123
- Verbrennungsgasversorgung
- 124
- Absperrorgan
- 125
- Regelorgan
- 126
- Meßvorrichtung
- 127
- Gasentnahmestellen
- 128
- Messleitung
- 129
- Messstellenumschalter
- 130
- Analysator
- 131
- Auswerteeinheit
- 132
- Sollwertsteller
- 133
- Regler