-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Feuerraum eines Kessels bzw. einen Feuerraum für einen Kessel sowie den Kessel selbst. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffes sowie ein Verfahren zur Verbrennung von mehreren unterschiedlichen Brennstoffen und ein Verfahren zur Erzeugung von Dampf.
-
Kessel, insbesondere Dampfkessel und ihre jeweiligen Feuerräume können unterschiedliche Ausführungsformen aufweisen. Ein Dampfkessel ist ein im Wesentlichen geschlossenes beheiztes Gefäß, welches einen Feuerraum aufweist, in dem ein Brennstoff verbrannt wird und die Verbrennungswärme meist mittels Konvektion auf angrenzende Heizflächen geleitet wird, um an oder in diesen Heizflächen befindliches Fluid zu verdampfen.
-
Eine weitere Ausführungsform eines Kessels mit Feuerraum ist ein Heißwasserkessel bzw. Heizkessel, bei dem die durch Verbrennung entstehende Wärme lediglich zur Erwärmung eines Fluides, wie z.B. Thermalöl oder andere Wärmeträger, ggf. auch Alkohole, eingesetzt wird.
-
Sämtliche Kessel mit Feuerraum umfassen somit eine Zone oder ein Volumen im Feuerraum, in welches Brennstoff eingegeben und gezündet wird, so dass der Brennstoff verbrennt. In Abhängigkeit von der Konsistenz sowie Korngröße und/oder Zusammensetzung des Brennstoffes werden unterschiedliche Brennstoffzuführungsmethoden und entsprechende Einrichtungen zur Brennstoffzuführung realisiert. Um in gleichen Kesseln unterschiedliche Brennstoffe, wie z. B. auch Abfälle verfeuern zu können und daraus Nutzwärme generieren zu können, werden diese Brennstoffe oftmals stark zerkleinert, so dass sie nur noch eine relativ geringe Korngröße aufweisen, und einer Wirbelschichtfeuerung zugeführt. Derartige Wirbelschichtfeuerungen sind durch wenigstens ein Wirbelbett realisiert, das üblicherweise feinkörniges Material, sogenanntes Bettmaterial, wie z. B. Sand, Kalkstein oder Asche aufweist und mittels einer geeigneten Luftzufuhr über eine Düsenanordnung derart mit Gas oder Gasgemisch, wie z. B. Luft, verwirbelt wird, dass eine Wirbelschicht entsteht. In diese Wirbelschicht wird der zerkleinerte Brennstoff eingegeben. Auf Grund der besonderen Strömungsverhältnisse in der Wirbelschicht, bei der quasi ein neues Fluid entsteht, schwimmt das Brennstoff- auf dem intensiv vermischten Bettmaterial. In Abhängigkeit von der jeweiligen Betriebstemperatur entzündet sich der Brennstoff selbst oder aber wird mittels Brennern gezündet.
-
Eine jeweilige Kesselanlage bzw. ein jeweiliger Feuerraum und die darin integrierte Wirbelschichtanlage ist üblicherweise in Abhängigkeit des umzusetzenden Brennstoffes auszulegen, da in Abhängigkeit der umzusetzenden Brennstoffe die realisierten Temperaturen sowie benötigten Wirbelschichtbedingungen stark schwanken. Um eine optimale Ausnutzung der bei der Verbrennung freigesetzten Wärmeenergie realisieren zu können, ist der Kessel in Volllastbetrieb zu fahren.
-
Das bedeutet, dass ein Teillastbetrieb sowie der Umsetzung unterschiedlicher Brennstoffen in einer herkömmlichen Kesselanlage mit Feuerraum mit integrierter Wirbelschichterzeugung relativ enge Grenzen gesetzt sind.
-
Der
DE 20 2013 104 381 U1 ist eine Wirbelschichtfeuerung entnehmbar, die dieses Problem dadurch löst, dass ein Verbrennungs-Wirbelbett sowie ein Wärmetauscher-Wirbelbett realisiert wird, die beide voneinander räumlich getrennt sind. Zur Beeinflussung der Temperatur in den Wirbelbetten ist vorgesehen, dass Bettmaterial aus dem Verbrennungs-Wirbelbett in das Wärmetauscher-Wirbelbett transportiert wird und ebenso vom Wärmetauscher- Wirbelbett zurück in das Verbrennungs-Wirbelbett transportiert wird. Auf Grund eines Temperaturgefälles zwischen dem Verbrennungs-Wirbelbett und dem Wirbeltauscher-Wirbelbett lässt sich somit das Überschreiten einer maximal zulässigen Temperatur im Verbrennungs-Wirbelbett verhindern sowie die Aufrechterhaltung einer optimalen Temperatur im Wärmetauscher-Wirbelbett gewährleisten. Dieser Materialfluss des Bettmaterials ist jedoch nur mit relativ aufwändigen zusätzlichen Transporteinrichtungen möglich, wie z. B. einer Fördereinheit sowie einer Rückführeinheit.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Feuerraum sowie einen Kessel mit diesem Feuerraum und ein Verfahren zur Umsetzung wenigstens eines Brennstoffes zur Verfügung zu stellen, mit denen in einfacher, kostengünstiger sowie störunanfälliger Weise eine Verbrennung von Brennstoff durchgeführt werden kann, die hinsichtlich Zusammensetzung und Menge des im Feuerraum umzusetzenden Brennstoffes flexibel ist.
-
Diese Aufgabe wird mittels des erfindungsgemäßen Feuerraumes nach Anspruch 1 sowie des Kessels nach Anspruch 8 gelöst. Weiterhin wird diese Aufgabe durch das Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffes mittels des erfindungsgemäßen Kessels nach Anspruch 9 und durch das Verfahren zur Verbrennung mehrerer unterschiedlicher Brennstoffe mittels des erfindungsgemäßen Kessels nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Feuerraums sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben. Ergänzt wird die vorliegende Erfindung durch ein Verfahren zur Erzeugung von Dampf, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffes bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbrennung mehrerer unterschiedlicher Brennstoffe ausgeführt wird.
-
Erfindungsgemäß wird ein Feuerraum eines Kessels bzw. ein Feuerraum für einen Kessel zur Verfügung gestellt, der insbesondere ein Dampfkessel oder Heißwasserkessel bzw. Heizkessel sein kann. Der Feuerraum umfasst eine Wirbelschichtanlage zur Erzeugung einer Wirbelschicht aus einem Bettmaterial, einem Gas oder Gasgemisch und wenigstens einem Brennstoff. Erfindungsgemäß weist der Feuerraum wenigstens eine Trenneinrichtung auf, mit der der Feuerraum zumindest im Bereich der zur erzeugenden Wirbelschicht in wenigstens zwei zur Verbrennung von Brennstoff eingerichtete Raumsegment unterteilt ist. Der erfindungsgemäß ausgestaltete Kessel kann insbesondere ein Eckrohrkessel sein. Mittels der erfindungsgemäß angeordneten Trenneinrichtung bzw. mehreren Trenneinrichtungen können selbstverständlich auch mehr als zwei Raumsegmente im Feuerraum gebildet sein. Der Feuerraum ist zumindest im Bereich der zu erzeugenden Wirbelschicht mittels der Trenneinrichtung geteilt, so dass sich die Trenneinrichtung bis zur maximalen Höhe des verwirbelten Bett- und Brennstoffmaterials erstreckt. Vorzugsweise ist jedoch eine vollständige Trennung sämtlicher im Feuerraum realisierter Raumsegmente erreicht, wobei eine strömungstechnische Verbindung zwischen den Raumsegmenten zur Zusammenführung von Rauchgasen aus den einzelnen Raumsegmenten nicht ausgeschlossen sein soll. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Feuerraums wird dessen Hauptbett und sein sogenanntes Freeboard, welches sich über dem Hauptbett befindet, in mehrere Wirbelbettsektionen aufgeteilt, die je nach Anwendungsfall unterschiedlicher oder auch gleicher Größe sein können.
-
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Feuerraums liegt insbesondere darin, dass gewährleistet ist, dass die Wirbelschichten in den einzelnen Raumsegmenten nicht ineinander übergehen, so dass eine Umsetzung unterschiedlicher Brennstoffe in den einzelnen Raumsegmenten möglich ist. Zudem lässt sich der segmentierte Feuerraum im Teillastbetrieb betreiben, bei dem z. B. ein Raumsegment in Volllast betrieben wird und ein weiteres Raumsegment des Feuerraumes nicht oder in geringerem Maße betrieben wird. Das heißt, dass eine oder mehrere Wirbelbettsektionen oder Raumsegmente abgeschaltet werden können. Auf Grund des dadurch möglichen hervorragenden Ausbrandes des Brennstoffes lassen sich niedrige Emissionsgrenzwerte einhalten. Bei Anordnung von Überhitzern und/ oder Dampfkühlern im Kessel lassen diese sich kleiner bzw. mit einer geringeren Leistung ausgestalten, da durch die Trenneinrichtungen, die ebenfalls Wärme aufnehmen, bei Volllast des gesamten Feuerraumes die resultierende Rauchgastemperatur vor dem Überhitzer niedriger als in herkömmlichen Anlagen ist.
-
Insbesondere zu diesem Zweck ist die Trenneinrichtung wenigstens bereichsweise von einem Fluid zwecks Kühlung der Trenneinrichtung durchströmbar. Zu diesem Zweck sollte die Trenneinrichtung im Wesentlichen gasdicht ausgeführt sein und Hohlräume aufweisen, die mit dem Fluid durchströmbar sind. Die Trenneinrichtung lässt sich demzufolge wie eine typische Flossenwand ausgestalten, wie sie üblicherweise zur äußeren Begrenzung des Feuerraumes eingesetzt wird und mit einem Nutzmedium, wie z. B. Wasser, durchströmbar ist. Dadurch würde eine sogenannte Membranzwischenwand zur Verfügung gestellt, die als Konvektionsheizfläche ausgestaltet ist. Ebenso wie die äußeren, üblicherweise als Flossenwände ausgestalteten Begrenzungswände dient auch die erfindungsgemäß angeordnete Trenneinrichtung zur Erzeugung von Dampf, der technologisch verwertbar ist.
-
In besonderer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feuerraums ist vorgesehen, dass dieser mehrere Trenneinrichtungen aufweist, die sternförmig zueinander angeordnet sind. Damit verlaufen die Trenneinrichtungen radial zu einem gemeinsamen zentralen Bereich. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass mit relativ geringem Materialaufwand für die Trenneinrichtungen und einfacher Fluid-Zu- und Abfuhr in bzw. aus den Trenneinrichtungen eine optimale Segmentierung des Feuerraumes erreicht werden kann, wobei benachbarte oder auch nicht benachbarte Segmente gleichzeitig betrieben werden können und demzufolge Einfluss auf die Rauchgasund Dampftemperatur genommen werden kann.
-
In konstruktiv günstiger Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feuerraums ist vorgesehen, dass der Feuerraum eine zentrale Brennstoffzufuhr umfasst, die je Raumsegment eine Abzweigung zur Zufuhr von Brennstoff in das jeweilige Raumsegment aufweist. Vorzugsweise wird mit dieser zentralen Brennstoffzufuhr demzufolge lediglich ein Brennstoff den jeweiligen Raumsegmenten zugeführt, wobei jedoch auch eine alternative Ausgestaltung der Brennstoffzufuhr nicht ausgeschlossen werden soll, die in der Lage ist, je Raumsegment einen unterschiedlichen Brennstoff zuzuführen. Die Beschickung mit Brennstoff im jeweiligen Raumsegment erfolgt vorzugsweise über das verwirbelte Bettmaterial.
-
In ähnlicher Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Feuerraum eine zentrale Gaszufuhr umfasst, die je Raumsegment eine Abzweigung zur Zufuhr von Gas oder Gasgemisch in das jeweilige Raumsegment zur Erzeugung einer Wirbelschicht je Raumsegment aufweist.
-
Durch eine geeignete Steuer- bzw. Regelungseinrichtung lässt sich der Massestrom bzw. Volumenstrom von Brennstoff bzw. Gasgemisch in das jeweilige Raumsegment steuern bzw. regeln.
-
In volumensparender Ausgestaltung des Feuerraumes bzw. des diesen Feuerraum umfassenden Kessels kann vorgesehen sein, dass der Feuerraum eine zentrale Rauchgasabzugseinrichtung umfasst, die je Raumsegment einen Anschluss zur Abfuhr von Rauchgas aus dem jeweiligen Raumsegment aufweist. Alternativ kann jedoch auch je Raumsegment eine extra Rauchgasabzugseinrichtung angeordnet sein.
-
Des Weiteren kann der erfindungsgemäße Feuerraum eine zentrale Dampfabzugseinrichtung umfassen, die je Trenneinrichtung einen Anschluss zur Abfuhr von Dampf aus der jeweiligen Trenneinrichtung aufweist. In diese Ausgestaltung sind vorteilhafterweise auch die als Flossenwände ausgeführten äußeren Begrenzungswände des Feuerraums mit der zentralen Dampfabzugseinrichtung strömungstechnisch verbunden. Dabei soll jedoch auch hier nicht die alternative Ausführungsform ausgeschlossen sein, dass je Trenneinrichtung und/oder Begrenzungswand eine extra Dampfabzugseinrichtung angeordnet ist.
-
Zur Lösung der Aufgabe wird des Weiteren ein Kessel, insbesondere ein Dampfoder Heißwasserkessel, vorzugsweise als Eckrohrkessel ausgestaltet, zur Verfügung gestellt, welcher einen erfindungsgemäßen Feuerraum umfasst. Insbesondere ist die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kessels als Naturumlauf-Strahlungskessel vorgesehen mit sämtlichen typischen Ausgestaltungen und Einrichtungen sowie dem Bettmaterial zur Erzeugung der Wirbelschicht. Bei Ausführung als Dampfkessel sind zusätzlich Kühlkomponenten des Verbrennungssystems, wie z. B. sogenannte Tauchrohre, sowie von Fluid durchflossene Trenneinrichtungen und/oder den Feuerraum nach außen begrenzende und als Flossenwände ausgeführte Begrenzungswände komplett in den Wasser-Dampfkreislauf des Kessels integriert.
-
Der als Dampfkessel ausgeführte erfindungsgemäße Kessel weist vorteilhafter Weise einen Überhitzer und einen Dampfkühler auf, die im Dampfströmungspfad dem Feuerraum nachgeschaltet sind, wobei auch hier zweckmäßigerweise vorgesehen ist, dass der Kessel derart ausgestaltet ist, dass aus den Trenneinrichtungen bzw. den als Flossenwänden ausgestalteten Begrenzungswänden ausströmender Dampf über einen gemeinsamen Überhitzer bzw. Dampfkühler geleitet wird. Ähnlich wie der Feuerraum kann auch der Überhitzer segmentiert sein zur Behandlung des aus einem jeweiligen Raumsegment bzw. einer jeweiligen Trenneinrichtung und/ oder Begrenzungswand strömenden Dampfes.
-
Zur weiteren Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffes mittels eines erfindungsgemäßen Kessels zur Verfügung gestellt, bei dem der Brennstoff einem oder mehreren Raumsegmenten des Feuerraumes zugeführt wird und dort in einer jeweiligen Wirbelschicht verbrannt wird. In dieser Ausgestaltung ist auch ein Teillastbetrieb des Kessels möglich, in dem lediglich in einigen Raumsegmenten des Feuerraumes des Kessels eine Verbrennung stattfindet und in wenigstens einem weiteren Raumsegment keine Verbrennung stattfindet. Das bedeutet, dass die Raumsegmente derart betrieben werden, dass zeitgleich in mehreren Raumsegmenten unterschiedliche Temperaturen herrschen. Dadurch ist es möglich, optimale Verbrennungsbedingungen in einzelnen Raumsegmenten einzustellen und somit Emissionsgrenzwerte auf Grund einer sauberen Verbrennung einhalten zu können. Selbstverständlich ist jedoch auch ein Volllastbetrieb des erfindungsgemäßen Kessels möglich, in dem sämtliche Raumsegmente des Feuerraumes in Volllast betrieben werden.
-
Zur Lösung der Aufgabe wird außerdem ein Verfahren zur Verbrennung mehrerer unterschiedlicher Brennstoffe mittels des erfindungsgemäßen Kessels zur Verfügung gestellt, bei dem einzelnen Raumsegmenten unterschiedliche Brennstoffe zugeführt werden und dort gleichzeitig verbrannt werden. Das heisst, dass in unterschiedliche Raumsegmente unterschiedliche Brennstoffe eingegeben werden, wobei die unterschiedlichen Brennstoffe hinsichtlich ihres Materials bzw. ihrer Zusammensetzung und/oder Korngröße voneinander abweichen können.
-
Ergänzt wird die vorliegende Erfindung durch ein Verfahren zur Erzeugung von Dampf, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verbrennung eines oder mehrerer unterschiedlicher Brennstoffe durchgeführt wird und mittels des jeweiligen Kessels durch Nutzung von Verbrennungswärme Dampf erzeugt wird. Dieser Dampf lässt sich in bekannter Weisung zur Erzeugung elektrischer und/oder mechanischer Energie oder auch zur Temperierung von Gebäuden oder Anlagen verwenden.
-
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
-
Es zeigt
-
1 einen erfindungsgemäßen Feuerraum in Ansicht von der Seite,
-
2 eine Schnittansicht von der Seite des in 1 dargestellten Feuerraums,
-
3 eine Draufsicht auf einen speziell ausgestalteten Feuerraum.
-
Der in 1 dargestellte Feuerraum 1 wird seitlich durch z. B. als Flossenwände ausgeführte Begrenzungswände 10 begrenzt. In den Begrenzungswänden 10 ist jeweils wenigstens ein Hohlraum 11 ausgebildet, welcher von Fluid 12 durchströmbar ist. Dieses Fluid kann z. B. Wasser sein, um im Feuerraum 1 durch Verbrennung entstandene Wärme mittels Konvektion aus den Begrenzungswänden 10 aufzunehmen und dadurch Dampf zu erzeugen. An der Unterseite des Feuerraumes 1 sind eine Mehrzahl von Luftdüsen 13 angeordnet, mit welchen Gas 18 durch ein Bettmaterial 17 geleitet wird, um das Bettmaterial zusammen mit dem darin verteilten Brennstoff 19 in einer Wirbelschicht 14 zu verwirbeln. Dadurch wird das Hauptbett 15 ausgebildet, über dem sich das sogenannte Freeboard 16 befindet, in welchem sich im Wesentlichen kein Bettmaterial sowie kein Brennstoff befindet. Zur Temperierung des Hauptbettes 15 bzw. des Bettmaterials 17 sind Tauchrohre 20 angeordnet, die ebenfalls von Fluid durchströmbar sind. Diese Tauchrohre 20 bzw. das darin befindliche Fluid können Wärme aus dem Hauptbett 15 aufnehmen und derart das Hauptbett 15 bzw. die Wirbelschicht 14 temperieren.
-
Der erfindungsgemäße Feuerraum 1 ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Trenneinrichtung 30 in ein erstes Raumsegment 31 und ein zweites Raumsegment 32 unterteilt. Auch die Trenneinrichtung 30 weist im Inneren wenigstens einen Hohlraum 11 auf, der von einem Fluid 12, wie z. B. Wasser, durchströmbar ist. In günstiger Ausgestaltung ist die Trenneinrichtung 30 ebenfalls als Flossenwand ausgebildet. Die Trenneinrichtung 30 trennt somit auch eine erste Wirbelbettsektion 41 im ersten Raumsegment 31 von einer zweiten Wirbelbettsektion 42 im zweiten Raumsegment 32. Insbesondere diese Ausgestaltung ermöglicht es, in die einzelnen Raumsegmente 31, 32 unterschiedliche Brennstoffe einzugeben und die einzelnen Raumsegmente 31, 32 somit mit unterschiedlichen Betriebsparametern zu betreiben, so dass zudem ein Teillastbetrieb des gesamten Feuerraums 1 durch Freisetzung unterschiedlicher Wärmemengen je Zeiteinheit in den einzelnen Raumsegmenten möglich ist.
-
In 2 ist eine Schnittansicht durch den in 1 dargestellten Feuerraum 1 ersichtlich, in der erkennbar ist, dass die Trenneinrichtung 30 eine Vielzahl von rohrförmig ausgestalteten Hohlräumen 11 umfasst, die parallel zueinander verlaufen und von Fluid 12 durchströmt sind. Des Weiteren ist ersichtlich, dass die Trenneinrichtung 30 den Feuerraum 11 komplett in Segmente unterteilt, wobei der erfindungsgemäß ausgelegte Feuerraum 1 nicht auf diese Ausgestaltung eingeschränkt ist, sondern auch eine Trenneinrichtung 30 von der Erfindung umfasst ist, die zumindest das jeweilige Hauptbett 15 im Bereich der zu erzeugenden Wirbelschicht 40 des jeweiligen Raumsegmentes von dem Bereich der zu erzeugenden Wirbelschicht bzw. dem Hauptbett der Wirbelschicht des benachbarten Raumsegmentes trennt.
-
In 3 ist in Draufsicht eine besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feuerraumes 1 erkennbar, in der der Feuerraum 1 durch insgesamt sechs Trenneinrichtungen 30 in sechs Raumsegmente 31–36 bzw. in sechs Wirbelbettsektionen 41–46 unterteilt ist. Die einzelnen Trenneinrichtungen 30 verlaufen dabei radial in Bezug zu einem gemeinsamen Zentrum bzw. Schnittpunkt. Die äußere Begrenzung erfolgt mittels Begrenzungswänden 10, die auch hier vorzugsweise als Flossenwände ausgeführt sind. Es ist ersichtlich, dass in dieser Ausgestaltung insbesondere die Brennstoffzufuhr und/oder die Rauchgas- bzw. Dampfableitung in einfacher Weise zentralisiert erfolgen kann, ohne das zwingend notwendig alle oder auch benachbarte Raumsegmente gleichzeitig betrieben werden müssen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Feuerraum
- 10
- Begrenzungswand
- 11
- Hohlraum
- 12
- Fluid
- 13
- Luftdüse
- 14
- Wirbelschicht
- 15
- Hauptbett
- 16
- Freeboard
- 17
- Bettmaterial
- 18
- Gas
- 19
- Brennstoff
- 20
- Tauchrohr
- 30
- Trenneinrichtung
- 31
- Erstes Raumsegment
- 32
- Zweites Raumsegment
- 33
- Drittes Raumsegment
- 34
- Viertes Raumsegment
- 35
- Fünftes Raumsegment
- 36
- Sechstes Raumsegment
- 40
- Bereich der zu erzeugenden Wirbelschicht
- 41
- Erste Wirbelbettsektion
- 42
- Zweite Wirbelbettsektion
- 43
- Dritte Wirbelbettsektion
- 44
- Vierte Wirbelbettsektion
- 45
- Fünfte Wirbelbettsektion
- 46
- Sechste Wirbelbettsektion
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 202013104381 U1 [0007]
