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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines kritischen
Verschlackungsbereiches an Heizflächenwänden der Brennkammer einer
Kohlenstaubfeuerung.
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Es
ist allgemein bekannt, dass es in einer mit dem fossilen Brennstoff
Kohle befeuerten Brennkammer zu Verschlackungen kommt, welche nachteilige Auswirkungen
auf den Prozess der Feuerung haben. Sie führen insbesondere zu einer
Verschlechterung des Wärmeüberganges
an den Heizflächen
der Brennkammer und daraus resultierend zu einer Anhebung der Feuerraumtemperatur,
aber auch zu Verschiebungen des Temperaturprofils innerhalb der Brennkammer.
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Die
Bildung von Verschlackungen hängt
dabei wesentlich von der zur Verbrennung eingesetzten Kohle und
ihren Parametern, wie Heizwert, Wassergehalt, Aschegehalt, Eisen-,
Natrium-, Calcium- und Schwefelgehalt, ab.
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Weiterhin
spielen auch Vorgaben für
eine NOx arme Führung der Feuerung und damit
verbunden die unterstöchiometrische
Fahrweise in der Verbrennungszone eine Rolle.
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Es
hat sich gezeigt, dass es Verschlackungen, also Ansätze an Heizflächen gibt,
deren Bestandteile nicht aufgeschmolzen sind, sonder hauptsächlich durch
Sinterung zu Stande kommen und die relativ gut durch entsprechende
Gegenmaßnahmen beherrschbar
sind. Hauptsächlich
werden im Kraftwerksbereich dazu Wasserlanzenbläser oder Dampflanzenbläser zur
Abreinigung von Verschlackungen eingesetzt (
DE 41 42 448 A1 ). Dabei
wird durch den gerichteten Wasser- oder Dampfstrahl ein Abplatzen der
Verschlackungen durch Thermoschockwirkung von den Heizflächen bewirkt.
Um den Prozess zu automatisieren, sind verschiedene Verfahren zur
Ermittlung von Bereichen, in denen in der Brennkammer die Verschmutzungen
auftreten, bekannt.
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So
offenbart die
DD 281
448 A5 ein Verfahren zur Ermittlung eines Verschlackungsbereiches
an Heizflächen
der Brennkammer einer Kohlenstaubfeuerung, wobei mittels einer optischen
Sonde von festgelegten, durch Koordinaten und Drehwinkel der Sonde
bestimmten Bereichen der Brennkammer Aufnahmen gefertigt und mit
vorab aufgenommenen Referenzbildern verglichen werden. Die Information über die
Differenz wird für
die Bewertung von Schlackenbildung in der Brennkammer herangezogen.
Danach kann zielgerichtet der Einsatz von Reinigungsmaßnahmen
der genannten Art erfolgen.
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Die
DE 196 40 337 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Bewertung und Abreinigung von Verschlackungen
an einer Heizfläche,
insbesondere in der Brennkammer eines Dampfkessels. Hierbei wird
an ausgewählten
Rohren einer Heizfläche
während
des Betriebes rastermäßig die
Temperatur des Mediums im Rohr sowie an der Außenwand des Rohres gemessen.
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Dies
erfolgt in Abhängigkeit
von der Verschlackungsneigung und der Anordnung von Reinigungsgeräten. Danach
erfolgt ein Vergleich des so ermittelten Temperaturwertes mit einem
Wert der Temperatur, welcher einer sauberen Heizfläche entspricht.
Bei Überschreitung
eines Grenzwertes erfolgt die rastermäßige Abreinigung der betroffenen Heizfläche.
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Aus
der
DD 289 115 A5 geht
ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der Schlackenansatztemperatur
und Schlackenansatzdicke hervor. Danach werden die Brennkammertemperatur
sowie die Temperatur der Innen- und Außenwandung einer ein gekühltes Heizflächenrohr
umgebenden Verstärkung
messtechnisch erfasst. Über
eine bekannte mathematische Beziehung wird aus den gemessenen Temperaturen
eine Wärmestromdichte
und daraus mittels einer weiteren mathematischen Beziehung eine
Schlackenansatztemperatur bzw. eine Schlackenansatzdicke ermittelt.
Die gewonnenen Daten werden für
die Steuerung von Reinigungsgeräten oder
für die
Kohlebereitstellung und Feuerführung genutzt.
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Ein
weiteres Verfahren zur Bestimmung eines kritischen Verschlackungszustandes
am Rohrsystem einer Brennkammer oder einer Wärmeanlage ist in der
DE 289 112 A5 beschrieben.
Ausgangspunkt ist hier eine zulässige
Oberflächentemperatur einer
simulierten Schlackeschicht in Abhängigkeit von den Hafteigenschaften
der Schlackeschicht als Sollwert. Dazu wird die Oberflächentemperatur
einer real vorhandenen Schlackeschicht am Rohrsystem gemessen. Ein
aus der Annäherung
beider Temperaturen erzeugtes Signal kann ebenfalls wieder dazu genutzt
werden, Reinigungsgeräte
anzusteuern oder Rückschlüsse auf
eine Änderung
im Bekohlungssystem oder in der Feuerführung zu ziehen.
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Ein
weit gravierenderes Problem ergibt sich aus dem Schmelzfluss der
Verschlackungen, d. h. aus Ansätzen,
welche aus Schmelzen gebildet sind. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung
der verbrannten Kohle kommt es im Zusammenwirken mit entsprechend
hohen Feuerraumtemperaturen zum Fließen von Schlacke bei der Überschreitung
der Aschefließtemperatur.
Dieser Schlackefluss kann zu enormen Beeinträchtigungen im Betrieb der Brennkammer
eines Dampfkessels führen.
So sind die Bildung von größeren Schollen
im m2-Bereich durch an den Brennkammerwänden herabfließende Schlacke mit
anschließender
Abkühlung
im unteren kalten Teil des Brennkammertrichters und deren Erstarrung möglich. Diese
Schollen können
sich nach Ansammlung mehrerer übereinander
gelaufenen Schichten aufgrund ihres hohen Gewichtes oder durch Lastwechsel
bei der Fahrweise des Dampfkessels von den Rohrwänden lösen und im Extremfall die Abwurftrichter
des Nachbrennrostes komplett zusetzen. Dies kann zur zwangsweisen
Außerbetriebnahme des
Dampferzeugers führen.
Deshalb ist es wünschenswert,
genau den Zeitpunkt und den Ort des Beginns des Fließens der
Schlacke in der Brennkammer festzustellen.
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Die
Bereiche der Brennkammer, in denen aufgrund der Gegebenheiten durch
die Bestandteile der verbrannten Kohle und der örtlich an den Brennkammerwänden vorhandenen
Temperaturen ein Fließen
der Schlacke gegeben ist, kann aber mit den o. g. Maßnahmen
aus dem Stand der Technik nicht festgestellt werden.
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Nach
dem bekannten Stand der Technik ist keines der Verfahren in der
Lage, die Konsistenz der Schlacke (Übergang von festem zu flüssigen Zustand)
und damit die Situation, bei welcher es aufgrund der Kohlequalität (z. B.
hoher Fe2O3 – Gehalt als
so genannter Verflüssiger)
und/oder örtlich
sehr hohe Temperaturen (Feuerschieflage) zum Schlackeschmelzfluss
kommt, zu erfassen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Betrieb einer kohlegefeuerten
Brennkammer eines Dampferzeugers den Zeitpunkt sowie den Ort des
Beginns des Fließens
von Schlackebestandteilen für
eine Optimierung in der Feuerführung
und Kohlezuführung
mit einfachen Mitteln zu bestimmen.
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Die
Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass ein Intensitätssignal
eines Flammenwächters
der Brennkammer über
einen Zeitraum gemittelt und bei Unterschreitung des gemittelten
Intensitätssignals
unter einen Grenzwert G ein Signal S zur Anzeige des kritischen
Verschlackungsbereiches aufgrund einer Abdeckung des Flammenwächters durch
einen Schlackeschmelzfluss gebildet wird.
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Dabei
kann der Zeitraum zur Mittelung des Intensitätssignals des Flammenwächters vorteihaft zwischen
15 Minuten bis 120 Minuten, vorzugsweise 60 Minuten und der Grenzwert
G auf einen Wert zwischen 50% bis 80% des Intensitätssignals
des Flammenwächters,
vorzugsweise auf 75% des Intensitätssignals des Flammenwächters,
eingestellt werden. Weiterhin kann das Signal S zur weiteren Verarbeitung
in einer Leittechnikanlage zum Betrieb der Brennkammer eingesetzt
werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich aus der Tatsache,
dass eine überwiegende
Anzahl von in der Praxis vorhandenen Brennkammern bereits mit Rohrwandöffnungen
für den
Einsatz von Flammenüberwachungssystemen
ausgerüstet
sind.
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Diese
Flammenüberwachungssysteme
bewirken standardmäßig eine Überwachung
der Feuerung in der Brennkammer, um bei Ausfall der Feuerung ein
sicheres Abschalten der Kohlezuführung
zu der Brennkammer durch Signalgebung zu bewirken. Damit wird ein
Zuströmen
von weiterer Kohle in die noch heiße Brennkammer und Explosion
infolge Selbstzündung
unterbunden.
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Durch
das Herabfließen
der Schlackeschmelzen an den Brennkammerwänden kommt es trotz anstehender
Kühl- und
Spülluft,
welche dem Freihalten der Rohrwandöffnungen für die Flammwächter von
losen Ascheablagerungen dient, zu deren Verschließen mit
zähflüssiger Schlacke.
Bei der Signalbildung zur Überwachung
der Kohleflamme stützt
man sich auf die Tatsache, dass Kohleflammen in ihrer Helligkeit
stark schwanken (Pulsieren). Dieses Pulsieren (dynamisches Helligkeitssignal)
wird demzufolge für
die Signalbildung im Flammenwächter
verarbeitet. Statische Helligkeitssignale (glühende Schlacke) werden bei
der Signalbildung nicht berücksichtigt.
Damit wird beim Verschließen
der Rohrwandöffnungen
mit zähflüssiger Schlacke
fälschlicher
weise eine Verringerung der Flammenintensität angezeigt. Da aber anderer
Kriterien, wie z. B. Intensität
anderer Flammenwächter,
Volllastfahrweise eindeutig auf eine tatsächlich stabile Flamme hinweisen, kann
aus dem Intensitätsverlust
des Flammenwächters
auf einen Verschluss der Rohrwandöffnung durch zähfließende Schlacke
geschlossen werden.
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Daraus
lässt sich
ein Signal gewinnen, welches zusammen mit dem Ort des Flammenwächters an
der Brennkammer die gewünschte
Information nach Zeitpunkt und Örtlichkeit
des Schmelzflusses von Schlackebestandteilen anzeigt.
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Dabei
ist es weiterhin von Vorteil, dass bereits vorhandene Flammenwächter im
Bereich des Brennergürtels
der Brennkammer angebracht sind, da dort auch die hohen Temperaturen
herrschen, welche das Schmelzen der Schlacke mit verursachen. Andererseits
sind für
eine eventuell notwendige Um- oder Aufrüstung vorhandener Flammenwächter oder
eine Anbringung weiterer Flammenwächter die Aufwendungen gering.
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Die
zeitnahe Kenntnis eines sich bildenden Schlackeflusses versetzt
die Bedienmannschaft der Brennkammer in die Lage, Rückschlüsse auf
die Lage der Flamme in der Brennkammer zu ziehen und mit entsprechenden
Maßnahmen
darauf Einfluss zu nehmen. Weiterhin ist eine kurzfristige Reaktion
in Hinsicht auf die verfeuerte Mischung der Kohle möglich, so
dass auch mit dieser Maßnahme
der Bildung eines Schlackeflusses entgegengewirkt werden kann.
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Anhand
eines Ausführungsbeispiels
soll nachfolgend die Erfindung näher
erläutert
werden. Dabei zeigen die
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1 Schematische
Darstellung der Anordnung von Flammenwächtern an den Wänden einer Brennkammer
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2 Schnittdarstellung
einer Rohrwandöffnung
an einer Wand einer Brennkammer mit Anordnung eines Flammenwächters
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An
einem braunkohlenstaubgefeuerten Kessel mit einer Brennkammer 1 für eine nominale Dampfleistung
von 700 kg/s befinden sich ca. 5m oberhalb der oberen Kohlenstaubbrenner 2 zur Überwachung
der Kohlenstaubflamme in jeder Seitenwand 3 auf gleicher
Höhe fünf Rohrwandöffnungen 4 im
Abstand von ca. 3m voneinander für
die Ausrüstung
mit Flammenwächtern 5 (1).
Jede Rohrwandöffnung 4 ist
mit einem Infrarot-Flammenwächter 5 belegt
(2).
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Der
Flammenwächter 5 stellt
dabei ein Intensitätssignal
bereit, welches ein Maß für die Helligkeit (Intensität) der Kohlenstaubflamme
darstellt. Zur sicheren Beurteilung der Kohlenstaubflamme wird nur der
dynamische Anteil des Intensitätssignals
der Flamme verarbeitet. D.h. der statische Helligkeitsanteil der
Flamme findet keine Berücksichtigung.
Der dynamische Anteil des Intensitätssignals wird als Analogwert
von 0 bis 100% zur Anzeige gebracht. Unterschreitet dieses Intensitätssignal
an einer festgelegten Anzahl von Flammenwächtern 5 einen Wert von
80 %, führt
dies über
die interne Kesselschutzverriegelung zur Notabschaltung der Feuerung
(Explosionsschutz).
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Setzt
sich eine Rohrwandöffnung 4 mit Schlackeschmelzfluss 6 zu,
so geht der dynamische Anteil des Signals gegen Null, obwohl die
Grundhelligkeit, d. h. der statische Helligkeitsanteil der Flamme
nach wie vor vorhanden ist oder durch die glühende Schlacke ersetzt wird.
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Das
Intensitätssignal
eines jeden Flammenwächters 5 wird
als Analogwert mit Hilfe einer jedem Flammenwächter 5 zugehörigen Auswerteeinheit 8 über einen
Zeitraum von 60 Minuten gemittelt und an eine (in den Figuren nicht
dargestellte) Leittechnikanlage zum Betrieb der Brennkammer 1 weitergeleitet. Als
Zeitraum für
die Bildung des gemittelten Intensitätssignals sind auch kürzere (z.
B. 15 Minuten) oder längere
(z. B. 120 Minuten) Perioden möglich.
Dies ist u. a. abhängig
von der Art der Brennkammer, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren
zum Einsatz kommt und durch Versuche ermittelbar. Unterschreitet
dieses gemittelte Intensitätssignal
an einem Flammenwächter 5 den
vorgegebenen Grenzwert G von 70%, wird in der Leittechnikanlage
zum Betrieb der Brennkammer 1 für diesen Flammenwächter 5 ein
Signal S zur Anzeige eines kritischen Verschlackungsbereiches an
diesem Flammenwächter 5 aufgrund
dessen Abdeckung durch einen Schlackeschmelzfluss 6 gebildet,
welches dem Operator angezeigt wird, durch diesen zu bewerten ist
und ggf. durch Veränderung
der Feuerführung
beeinflusst werden kann. Der Grenzwert G kann hierbei, abhängig von
der eingesetzten Brennkammer, zwischen 50% bis 80% des Intensitätssignals
des Flammenwächters 5 eingestellt
werden. Der Bereich des Schlackeschmelzflusses 6 ist dem
Operator nunmehr durch die Örtlichkeit
des betreffenden Flammenwächters
bekannt.
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Bei
zeitnaher (ca.1 h) Anzeige von mehreren Signalen S an mehreren Flammenwächtern 5 kann
in der Leittechnikanlage zum Betrieb der Brennkammer 1 eine
Warnmeldung (z. B. akute Verschlackungsgefahr) gebildet und zur
Anzeige gebracht werden. Je nach Position der signalisierenden Flammenwächter 5 ist
durch den Operator zu bewerten, ob der Schlackeschmelzfluss 6 einer
starken örtlichen
Temperaturerhöhung
(Feuerschieflage) oder eher einem Kohlequalitätsproblem zuzuordnen ist. Feuerschieflagen sind
im Regelfall dann als Ursache zu vermuten, wenn der Schlackeschmelzfluss 6 an
mehreren Flammenwächtern 5 in
einem engen örtlichen
Bereich erkannt wird. Sind mehrere Flammenwächter 5 aus verschiedenen
Brennkammerbereichen durch Schlackeschmelzfluss 6 beeinflusst,
ist eher auf ein Kohlequalitätsproblem
zu schließen
(hoher Anteil an Verflüssigern,
z. B. Fe2O3). Durch
eine Erhöhung
der Anzahl der Flammenwächter 5 kann
ein dichteres Überwachungsnetz
geschaffen werden. Dabei ist es zweckmäßig, die Flammenwächter 5 über mehrere Ebenen
versetzt anzuordnen. Die Erweiterung des Überwachungsnetzes führt gleichzeitig
dazu, dass durch die zusätzlichen
Kühl- und
Spüllufteinträge 7 ein
positiver Effekt durch die Ausbildung einer günstigeren Rohrwandatmosphäre zur Vermeidung
von Korrosionsschäden
erreicht wird.
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- 1
- Brennkammer
- 2
- Kohlenstaubbrenner
- 3
- Seitenwand
- 4
- Rohrwandöffnung
- 5
- Flammenwächter
- 6
- Schlackeschmelzfluss
- 7
- Kühl- und
Spülluft
- 8
- Auswerteeinheit