DE10297306B4

DE10297306B4 - U-förmiger Schmelzkammerverbrennungskessel und Verfahren zum Betrieb des Kessels

Info

Publication number: DE10297306B4
Application number: DE10297306T
Authority: DE
Inventors: Yoshitaka Funabashi Oomura; Takashi Kakogawa Yoshiyama; Chikatoshi Kurata
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2022-10-05
Also published as: CN1599854A; GB2397115B; DE10297306T5; KR20040035880A; JP3781706B2; GB2397115A; WO2003031873A1; JP2003176902A; KR100634411B1; US20040237862A1; GB0406530D0; CN1318795C; US7077069B2

Abstract

U-förmiger Schmelzkammerverbrennungskessel, umfassend
einen Verbrennungsofen (5) mit wenigstens einem Brenner (2), der pulverisierte Kohle als Brennstoff verbrennt und
einen nachgeschalteten Strahlungsofen (6) mit wenigstens einer Konvektionswärmeübertragungseinheit (7), wobei ein Schlackesieb (4) mit Siebröhren (4a) den Verbrennungsofen (5) vom Strahlungsofen (6) trennt; einen Abfluss (3) für geschmolzene Schlacke im Verbrennungsofen (5) sowie eine Steuerung zum Steuern einer Luftzuführungsrate, mit der Luft durch den wenigstens einen Brenner (2) in den Verbrennungsofen (5) zuführbar ist, und zum Steuern einer Brennstoffzuführungsrate, mit der der Brennstoff durch den wenigstens einen Brenner (2) in den Verbrennungsofen (5) zuführbar ist,
wobei die Steuerung der Luftzuführungsrate derart steuerbar ist, dass das Luftverhältnis im Verbrennungsofen so unter 1 liegt, dass über den gesamten Verbrennungsofen (5) vom wenigstens einen Brenner (2) zum Schlackesieb (4) eine reduzierende Atmosphäre und eine Temperatur um die Fluidtemperatur der Schlacke erzeugt werden, um die pulverisierte Kohle in einem brennstoffreichem Verbrennungsmodus im Verbrennungsofen...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessel, ein Verfahren zum Betrieb desselben sowie Verfahren zum Reinigen dessen Schlackesiebs.
Ein solcher U-förmiger Schmelzkammerverbrennungskessel wird mit pulverisierter Kohle befeuert, um Asche in geschmolzener Schlacke zu schmelzen. Er hält hohe Verbrennungstemperaturen in der Nähe der Fluidtemperatur, wobei Granulate abgeführt werden.
Zum besseren Verständnis des technischen Hintergrundes wird nachfolgend auf 7 Bezug genommen:
Danach enthält ein konventioneller U-förmiger Schmelzkammerverbrennungskessel einen Verbrennungsofen 105, einschließlich einer Verbrennungskammer 101 mit wassergekühlten Wänden, die mit einer feuerfesten Schicht aus feuerfestem Material überzogen sind, Brenner 102, die an der Decke der Verbrennungskammer 101 in einer vertikalen Position eingerichtet sind, einen Abfluss 103, der am Boden der Verbrennungskammer 101 zur Abführung von geschmolzener Schlacke ausgebildet ist, und ein Schlackesieb 104, das durch Anordnen mehrerer Siebröhren 104a gebil det ist. Das Schlackesieb 104 ist in einer in 8 gezeigten Querschnittsform an einer Position der Verbrennungskammer 101 angeordnet, an der Flammen, die nach unten durch die Verbrennungskammer 101 laufen, beginnen, nach oben zu laufen. Der Kessel enthält auch eine Konvektionswärmeübertragungseinheit 107, die einen Strahlungsofen 106 enthält, der freiliegende Stahlwände aufweist und bezüglich der Strömungsrichtung der Flammen unterhalb des Verbrennungsofens 105 angeordnet ist, und Überhitzerröhren.
Das Schlackesieb 104 trennt den Verbrennungsofen 105 und den Strahlungsofen 106, um einen Temperaturabfall in der Verbrennungskammer 105 aufgrund der Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung vom Verbrennungsofen 105 in den Strahlungsofen zu verhindern und die Beladung auf stromabwärts gelegene Elemente zu reduzieren, indem die im Verbrennungsgas enthaltene Asche festgehalten wird. Das Schlackesieb 104 ist eine wesentliche Komponente des U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels für den Betrieb mit wenig NO_x. Zudem sind in 7 ein schlackeabschreckendes Wasserbad 108, das mit einer Schlackefördereinrichtung 109 darin versehen ist, eine den Druck messende Düse 110, die an der Verbrennungskammer 101 installiert ist, eine den Druck messende Düse 111, die am Strahlungsofen 106 eingerichtet ist, und eine Tertiärdüse 112 gezeigt, die an der Verbrennungskammer 101 eingerichtet ist, um Luft schrittweise in die Verbrennungskammer 101 zur zweistufigen Verbrennung einzuleiten.
Die feuerfeste Schicht des Verbrennungsofens 105 überzieht einen Teil der inneren Oberfläche des Verbrennungsofens 105, der sich von einem Teil um die Brenner 102 herum durch das Schlackesieb 104 zu einem geneigten Teil der Verbrennungskammer 105 unterhalb des Schlackesiebs 104 erstreckt. Kohlenasche, die sich an der feuerfesten Schicht abgesetzt hat, schmilzt in der geschmolzenen Schlacke, die geschmolzene Schlacke fließt und wird auf hohen Temperaturen um die Fluidtemperatur gehalten. Die Dicke der Schlackeschicht, die auf der inneren Oberfläche des Verbrennungsofens 105 gebildet wird, ändert sich mit der Fluidtemperatur der Kohlenasche oder der hemisphärischen Temperatur. Somit hängt die Dicke der Schlackeschicht von den Eigenschaften der Kohle oder von der Beladung ab.
Ein ähnliches U-förmiges Kessel-Verbrennungssystem ist in der US 60 58 855 A offenbart. Hier wird das Luftverhältnis in der Verbrennungskammer 101 einschließlich dem Bereich des Schlackesiebs 122 auf ungefähr 1.0 eingestellt, indem über tertiäre Lufteinlässe 108 Tertiärluft in die Verbrennungskammer eingeführt wird, so dass eine Oxidations-Atmosphäre und nicht etwa eine Reduktions-Atmosphäre um das Schlackesieb herum erzeugt wird. Es wird also der Anteil an NO_X reduziert, indem nach dem Schlackesieb 122 ein Nachbrenn-Kraftstoff 124 injektiert wird, um auf diese Weise eine reduzierende Atmosphäre zu schaffen.
Die EP 0 301 714 A2 offenbart einen Verbrennungsofen, nämlich einen Cyclonen-Ofen, der mit geregelten Mengen an Luft, wie beispielsweise 0.8, sowie Brennstoff versorgt wird, um eine brennstoffreiche Verbrennung aufrecht zu erhalten und ein Entfernen von Schlacke zu ermöglichen. Hierbei wird als Schwefel-Lösemittel Kalziumkarbonat verwendet. Dementsprechend kann das Kalziumkarbonat verwendet werden, um den Schmelzpunkt der Schlacke zu erniedrigen, so dass der geschmolzene Zustand der Schlacke selbst unter einer reduzierenden Atmosphäre aufrechterhalten werden kann. In diesem Fall wird die Menge an Schlacke aufgrund der Zugabe von Kalziumkarbonat als Schmelzmittel zum Verringern des Schmelzpunktes der Schlacke unvermeidbar vergrößert.
Die JP 62102008 A offenbart einen Kessel mit einem oberen Brenner 4 und einem unteren Brenner 5, jeweils an der Brennkammer 1 montiert. Sowohl der obere Brenner 4 als auch der unter Brenner 5 werden bei einem Hochlastbetrieb verwendet. Andererseits wird bei einem Niedriglastbetrieb nur der untere Brenner verwendet. Bei einem solchen Aufbau ist ersichtlich, dass das Volumen der Brennkammer 1 nicht reduziert werden kann, nachdem ein solches reduziertes Volumen der Brennkammer nicht geeignet sein kann für den Hochlastbetrieb, bei dem sowohl der obere Brenner 4 als auch der untere Brenner 5 verwendet werden, um die Temperatur in der Brennkammer 1 hoch zu halten.
Bislang wurden die folgenden Verfahren beim Versuch, den Betrieb eines herkömmlichen, U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels mit wenig NO_x zu erreichen, verwendet:

(1) Rezirkulation des Abgases
(2) Einblasen von Luft in den Verbrennungsofen zur tertiären Verbrennung zusätzlich zu der Luft, die durch die Brenner in den Verbrennungsofen eingeblasen wird
(3) Verringerung der Partikelgröße der pulverisierten Kohle
(4) Wiederverbrennen des Brennstoffs

Nachfolgend werden Techniken, die sich auf (2) beziehen, nämlich Luft in den Verbrennungsofen für eine tertiäre Verbrennung einzublasen, erläutert:
Es ist bekannt, dass ein Betrieb mit wenig NO_x erreicht werden kann, indem man das Luftverhältnis des Brenners reduziert. Der in 7 gezeigte herkömmliche U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel reduziert zum Beispiel die Rate der Zuführung von Luft an die Brenner 102 so, dass das Luftverhältnis des Brenners auf etwa 0,8 reduziert wird, die Menge an Wärme, die im Verbrennungsofen 105 erzeugt wird, um etwa 30 % sinkt, die Temperatur im Verbrennungsofen 105 etwa 100 °C abfällt und die Dicke der Schlackeschicht sich um 1.5 bis 1.6 vervielfacht. Folglich fällt die Temperatur der abgeführten Schlacke ab, die Schlacke kann nicht stetig abgeführt werden, die Ansammlung von Schlacke auf den Siebröhren 104a des Schlackesiebs 104 sowie der offensichtliche Außendurchmesser der mit der Schlackeschicht überzogenen Siebröhren 104a nehmen zu und die Schlacke wächst in einem Teil der Siebröhren 104a an, wodurch ein fortlaufender Betrieb schwierig wird. Wenn das Luftverhältnis des Brenners für den herkömmlichen U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessel daher auf etwa 0,8 reduziert wird, muss Luft in einen Raum oberhalb des Schlackesiebs 104 für eine zweite Stufe der Verbrennung geblasen werden, um das Luftverhältnis am Schlackesieb 104 bei 1 zu halten.
Im herkömmlichen U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessel muss zur vollständigen Verbrennung von Kohle Luft in den Raum oberhalb des Schlackesiebs 104 für die zweite Stufe der Verbrennung geblasen werden, um das Luftverhältnis am Schlackesieb 104 bei 1 zu halten, um zu verhindern, dass die Schmelzkammer 104 zum Abführen der geschmolzenen Schlacke aufgrund eines Temperaturabfalls im Verbrennungsofen verstopft und dass das Schlackesieb 104 aufgrund der Schlackenanreicherung auf den Siebröhren 104a verstopft. Folglich war es bislang schwierig, einen zufrieden stellenden Betrieb mit wenig NO_x zu erreichen. Die NO_x-Konzentration am Ausgang des U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels liegt wenigstens im Bereich von 400 bis 500 ppm (im Falle von 6 % O₂), wenn die Techniken, die sich auf die Verfahren (1), (2) und (3) beziehen, in Kombination verwendet werden, und wenigstens 150 ppm (im Falle von 6 % O₂), wenn die Techniken, die sich auf die Verfahren (1), (2), (3) und (4) beziehen, in Kombination verwendet werden. So muss ein System zu Entfernung von NO_x mit dem Ausgange des Kessels verbunden werden, um eine NO_x-Konzentrationsgrenze einzuhalten, die in Gesetzen zur Regelung der Luftverschmutzung vorgeschrieben ist.
Die Menge an NO_x, d. h. einem Schadstoff, der Umweltverschmutzung bewirkt, hängt von einer oxidierenden Atmosphäre oder einer reduzierenden Atmosphäre, die durch ein Luftverhältnis von 1 begrenzt ist, und der Verbrennungstemperatur ab. Die Menge von NO_x ist bei höheren Temperaturen in einer oxidierenden Atmosphäre höher, während die Menge von NO_x bei höheren Temperaturen in einer reduzierenden Atmosphäre niedriger ist. Die Menge an NO_x, die in einer oxidierenden Atmosphäre erzeugt wird, ist einige zehn- bis einige hundertmal die NO_x-Menge, die in einer reduzierenden Atmosphäre bei 1400 °C, also fast gleich der Fluidtemperatur, erzeugt wird.
Während der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel in Betrieb ist, wird der Druck im Strahlungsofen 106 durch einen Ventilator mit induzierter Luftströmung, der an dem Punkt angeordnet ist, an dem die Gase den U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessel verlassen, so geregelt, dass der Druck, der an der den Druck messenden Düse 111 des Strahlungsofens 106 gemessen wird, im Bereich von –0,1 bis –0,2 kPa liegt. Der an der den Druck messenden Düse 110 gemessene Druck, d. h. der Verbrennungsluftdruck, wird überwacht. Die Differenz zwischen dem Druck, der an der den Druck messenden Düse 110 gemessen wird, und jenem, der an der den Druck messenden Düse 111 gemessen wird, entspricht dem Druckverlust, der durch das Schlackesieb 104 verursacht wird. Der Druck an der den Druck messenden Düse 110 variiert mit der Dicke der Schicht der Schlacke, die sich an den Siebröhren 104a des Schlackesiebs 104 anlagert, und hängt von der Eigenschaft der Kohle und der Beladung ab.
Es wird festgestellt, dass das Schlackesieb 104 verstopft ist, wenn der Druck an der den Druck messenden Düse 110 ansteigt. Da der Druck an der den Druck messenden Düse 110 jedoch, wie oben erwähnt, von der Eigenschaft der Kohle oder der Beladung abhängt, ist es schwierig, die Verstopfung des Schlackesiebs 104 zu detektieren. Da der Druck langsam ansteigt, kann das Schlackesieb 104 bereits stark verstopft sein, so dass der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel einen kritischen Zustand erreicht, in dem ein weiterer Betrieb unmöglich ist, ohne dass bekannt ist, dass das Schlackesieb 104 verstopft ist.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe diese Probleme beim herkömmlichen U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessel mit Hinblick auf die obige Eigenschaft der NO_x-Erzeugung zu lösen. Es ist daher ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessel anzugeben, der das Abführen von geschmolzener Schlacke, die durch Schmelzen von Kohlenasche erzeugt wird, stabil aufrecht erhält. Auch soll er mit einer sehr geringen NO_x-Emission betrieben werden können, sogar wenn der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel mit einem System zur Entfernung von NO_x mit geringer Kapazität oder mit keinem System zum Entfernen von NO_x versehen ist. Schließlich soll die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb des U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels bereitstellen. Die vorliegende Erfindung soll daher die Ausstattungskosten und die Betriebskosten des U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels senken. Das Verfahren zum Betrieb des U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels gemäß der vorliegenden Erfindung soll die Verstopfung des Schlackesiebs in kurzer Zeit genau detektieren, um das verstopfte Schlackesieb zu reinigen und den sicheren Betrieb fortzusetzen.
Die Aufgaben werden gemäß der Erfindung durch die in den Ansprüchen 1, 10, 13 und 17 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den zu diesen Ansprüchen gehörenden Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zum Betrieb eines U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels:
Ausbilden eines Verbrennungsofens in einem solchen Volumen, dass die Temperatur eines Gases, welches durch ein Schlackesieb strömt, das einen Verbrennungsofen und einen bezüglich der Laufrichtung der Flammen eines Brenners gesehen unterhalb des Verbrennungsofens angeordneten Strahlungsofen trennt, in einem Temperaturbereich gehalten wird, der ein ordnungsgemäßes Funktionieren des Schlackesiebs sogar dann sicher stellt, wenn Luft durch einen Brenner in den Verbrennungsofen mit einem Luftverhältnis unter 1 zugeleitet wird und keine zusätzliche Luft zugeleitet wird. Dabei liegt das Volumen des Verbrennungsofens in einem Bereich von etwa 55 bis etwa 60 % eines Volumens eines Verbrennungsofens, der mit Bezug auf die Laufrichtung der Flammen des Brenners gesehen oberhalb des Schlackesiebs ausgebildet und so konstruiert ist, dass ein Luftverhältnis an dem Schlackesieb etwa 1 ist, um so eine vollständige Verbrennung einer pulverisierten Kohle im Verbrennungsofen zu erreichen;
Zuführen von Luft durch den Brenner in den Verbrennungsofen derart, dass das Luftverhältnis unter 1 liegt, Verbrennen von pulverisierter Kohle in einem brennstoffreichen Verbrennungsmodus im Verbrennungsofen, um im Wesentlichen über den gesamten Verbrennungsofen vom Brenner zum Schlackesieb eine reduzierende Atmosphäre zu erzeugen, und Erhitzen des Inneren des Verbrennungsofens auf eine Temperatur von etwa der Fluidtemperatur der Schlacke, um die NO_x-Erzeugung zu reduzieren.
Vorzugsweise wird das Luftverhältnis von Luft, die durch den Brenner in den Verbrennungsofen eingeleitet wird, auf etwa 0,8 reduziert.
Vorzugsweise wird eine Überverbrennungsluft in den Strahlungsofen eingelassen, um die vollständige Verbrennung zur weiteren Reduzierung der NO_x-Emission zu erreichen.
Vorzugsweise wird ein Wärmefluss, der durch das Schlackesieb bildende Siebröhren transportiert wird, aus der Differenz zwischen den Temperaturen berechnet, die durch ein Thermometer, das in der Nähe eines Einlaufs der Siebröhren angeordnet ist, und durch ein Thermometer gemessen werden, das in der Nähe des Auslaufs der Siebröhren angeordnet ist. So wird festgestellt, dass das Schlackesieb verstopft ist, wenn ein berechneter Wärmefluss kleiner als ein vorgegebener Wärmefluss ist. Wenn festgestellt wird, dass das Schlackesieb verstopft ist wird die Luftzuführrate, mit der Luft durch den Brenner in den Verbrennungsofen eingeleitet wird, erhöht, um das Luftverhältnis über ein vorgegebenes Luftverhältnis hinaus so anzuheben, dass der Wärmefluss, der durch die Siebröhren transportiert wird, auf oder über einen vorgegebenen Wärmefluss erhöht wird und das Schlackesieb geöffnet wird.
Vorzugsweise beträgt der vorgegebene Wärmefluss 35 kW/m² und das vorgegebene Luftverhältnis 0,8.
Vorzugsweise wird ein Wärmefluss, der durch die das Schlackesieb bildenden Siebröhren transportiert wird, aus der Differenz zwischen den Temperaturen berechnet, die gemessen werden während der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel unter Teilbeladung arbeitet. Die Temperaturen werden durch ein Thermometer, das in der Nähe eines Einlaufs der Siebröhren angeordnet ist, und durch ein Thermometer, das in der Nähe des Auslaufs der Siebröhren angeordnet ist, gemessen. Ist der berechnete Wärmefluss kleiner als ein vorgegebener Wärmefluss kann dadurch festgestellt werden, dass das Schlackesieb verstopft ist. Dann werden eine Luftzuführrate, mit der Luft durch den Brenner in den Verbrennungsofen eingeleitet wird, und eine Brennstoffzuführrate, mit der Brennstoff dem Verbrennungsofen zugeführt wird, erhöht, um die Temperatur des Gases, das durch das Schlackesieb strömt, so anzuheben, dass der Wärmefluss, der durch die Siebröhre transportiert wird, auf oder über einem vorgegebenen Wärmefluss liegt, um so die Verstopfung des Schlackesiebs zu beseitigen.
Vorzugsweise beträgt der vorgegebene Wärmefluss 35 kW/m².
Vorzugsweise wird ein Wärmefluss, der durch die das Schlackesieb bildenden Siebröhren transportiert wird, aus der Differenz zwischen den Temperaturen berechnet, die durch ein Thermometer, das in der Nähe eines Einlaufs der Siebröhren angeordnet ist, und durch ein Thermometer, das in der Nähe des Auslaufs der Siebröhren angeordnet ist, gemessen werden. So kann festgestellt werden, dass das Schlackesieb verstopft ist, wenn ein berechneter Wärmefluss kleiner als ein vorgegebener Wärmefluss ist. Wenn festgestellt wird, dass das Schlackesieb verstopft ist, wird ein die Fluidtemperatur senkendes Mittel in den Verbrennungsofen eingeleitet, um die Fluidtemperatur der Schlacke zu senken, so dass die Schlacke schmilzt und leichtgängig fließt, die Menge an Schlacke, die sich auf dem Schlackesieb abgesetzt hat, abnimmt und die Verstopfung des Schlackesiebs beseitigt wird.
Vorzugsweise beträgt der vorgegebene Wärmefluss 35 kW/m².
Erfindungsgemäß umfasst ein U-förmiger Schmelzkammerverbrennungskessel:
einen Verbrennungsofen mit einem Brenner, der pulverisierte Kohle verbrennt;
einen Strahlungsofen, der bezüglich der Laufrichtung der Flammen eines Brenners gesehen unterhalb des Verbrennungsofens angeordnet ist;
ein Schlackesieb, das Siebröhren enthält und den Verbrennungsofen vom Strahlungsofen trennt; und
eine Steuerung zum Steuern einer Luftzuführrate, mit der Luft durch den Brenner in den Verbrennungsofen zugeführt wird, und einer Brennstoffzuführungsrate, mit der ein Brennstoff durch den Brenner in den Verbrennungsofen zugeführt wird;
wobei der Verbrennungsofen in einem Volumen so ausgebildet ist, dass die Temperatur eines Gases, welches durch ein Schlackesieb strömt, in einem Temperaturbe reich gehalten wird, der ein ordnungsgemäßes Funktionieren des Schlackesiebs sogar dann sicher stellt, wenn Luft durch einen Brenner in den Verbrennungsofen mit einem Luftverhältnis unter 1 und keine zusätzliche Luft zugeleitet wird. Dabei liegt das Volumen des Verbrennungsofens in einem Bereich von etwa 55 bis etwa 60 % eines Volumens eines Verbrennungsofens, der mit Bezug auf die Laufrichtung der Flammen des Brenners gesehen oberhalb des Schlackesiebs ausgebildet ist und so konstruiert ist, dass ein Luftverhältnis an dem Schlackesieb etwa 1 ist, um so eine vollständige Verbrennung einer pulverisierten Kohle im Verbrennungsofen zu erreichen; Zudem steuert die Steuerung das Zuführen von Luft, die durch den Brenner in den Verbrennungsofen zugeführt wird, derart, dass das Luftverhältnis unter 1 liegt, um pulverisierte Kohle in einem brennstoffreichen Verbrennungsmodus im Verbrennungsofen zu verbrennen. Dadurch wird im Wesentlichen über den gesamten Verbrennungsofen vom Brenner zum Schlackesieb eine reduzierende Atmosphäre erzeugt und das Innere des Verbrennungsofens auf eine Temperatur von etwa der Fluidtemperatur der Schlacke erhitzt, um die NO_x-Erzeugung zu reduzieren.
Vorzugsweise steuert die Steuerung die Zufuhr der Luft durch den Brenner in den Verbrennungsofen so, dass das Luftverhältnis auf etwa 0,8 reduziert wird.
Vorzugsweise umfasst der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel weiter eine Düse, um eine Überverbrennungsluft in den Strahlungsofen einzulassen, um die vollständige Verbrennung zur weiteren Reduzierung der NO_x-Emissionen zu erreichen.
Vorzugsweise enthält der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel weiter Thermometer, die in der Nähe des Einlaufs und des Auslaufs der Siebröhren angeordnet sind. Die Steuerung berechnet einen Wärmefluss, der durch die Siebröhren transportiert wird, aus der Differenz zwischen den Temperaturen, die durch die Thermometer, die in der Nähe eines Einlaufs und des Auslaufs der Siebröhren angeordnet sind, und entscheidet, ob das Schlackesieb verstopft ist, wenn ein berechneter Wärmefluss kleiner als ein vorgegebener Wärmefluss ist. Dann wird die Luftzuführrate, mit der Luft durch den Brenner in den Verbrennungsofen eingelei tet wird, erhöht, um das Luftverhältnis über ein vorgegebenes Luftverhältnis hinaus so zu erhöhen, dass der Wärmefluss, der durch die Siebröhren transportiert, auf oder über einen vorgegebenen Wärmefluss erhöht wird, um die Verstopfung des Schlackesiebs zu beseitigen.
Vorzugsweise beträgt der vorgegebene Wärmefluss 35 kW/m² und das vorgegebene Luftverhältnis 0,8.
Vorzugsweise umfasst der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel weiter Thermometer, die in der Nähe des Einlaufs und des Auslaufs der Siebröhren angeordnet sind. Die Steuerung berechnet einen Wärmefluss, der durch die Siebröhren transportiert wird, aus der Differenz zwischen den Temperaturen, die durch die Thermometer gemessen werden, die in der Nähe eines Einlaufs und des Auslaufs der Siebröhren angeordnet sind, während der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel unter Teilbeladung arbeitet. Sie stellt fest, dass das Schlackesieb verstopft ist, wenn ein berechneter Wärmefluss kleiner als ein vorgegebener Wärmefluss ist. Dann wird die Luftzuführrate, mit der Luft durch den Brenner in den Verbrennungsofen eingeleitet wird, und die Brennstoffzuführrate, mit der ein Brennstoff in den Verbrennungsofen zugeführt wird, erhöht, um eine Temperatur des Gases, das durch das Schlackesieb strömt, so anzuheben, dass der Wärmefluss, der durch die Siebröhren transportiert wird, auf oder über einen vorgegebenen Wärmefluss erhöht wird, um die Verstopfung des Schlackesiebs zu beseitigen.
Vorzugsweise beträgt der vorgegebene Wärmefluss 35 kW/m².
Vorzugsweise enthält der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel weiter Thermometer, die in der Nähe des Einlaufs und des Auslaufs der Siebröhren angeordnet sind, so dass die Steuerung einen Wärmefluss berechnen kann, der durch die Siebröhren transportiert wird, aus der Differenz zwischen den Temperaturen, die durch Thermometer, die in der Nähe eines Einlaufs und des Auslaufs der Siebröhren angeordnet sind, gemessen werden. Wenn die Steuerung feststellt, dass das Schlackesieb verstopft ist, weil ein berechneter Wärmefluss kleiner als ein vorge gebener Wärmefluss ist, so wird ein die Fluidtemperatur senkendes Mittel in den Verbrennungsofen zugeführt, um eine Fluidtemperatur der Schlacke zu senken. Dadurch schmilzt die Schlacke und fließt leichtgängig, wodurch eine Menge an Schlacke, die sich auf dem Schlackesieb abgesetzt hat, und eine Verstopfung des Schlackesiebs beseitigt wird.
Vorzugsweise beträgt der vorgegebene Wärmefluss 35 kW/m².
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei ist
1 eine schematische Ansicht eines U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
2 eine Grafik, die Kurven zeigt, die die Änderung der NO_x-Konzentration mit dem Abstand von einer Position, an der die Brenner platziert werden, darstellen. Dabei zeigt eine erste Kurve, was passiert, wenn das Luftverhältnis des Brenners durch ein Kesselbetriebsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, das Überverbrennungsluft in den Strahlungsofen unterhalb des Schlackesiebs bläst, und eine zweite Kurve, was passiert, wenn ein herkömmliches Kesselbetriebsverfahren reduziert wird, das Überverbrennungsluft in einen Verbrennungsofen oberhalb des Schlackesiebs bläst. Zudem sind Kurven gezeigt, die die Änderung der Temperatur des Verbrennungsgases darstellen, wenn die Überverbrennungsluft in den Strahlungsofen durch das erfindungsgemäße Kesselbetriebsverfahren eingeleitet wird, und falls Überverbrennungsluft durch das herkömmliche Kesselbetriebsverfahren in den Verbrennungsofen eingeblasen wird;
3 eine schematische Ansicht eines U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
4 ein Blockschaltbild eines Verdampfungssystems, das im in 3 gezeigten U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels enthalten ist;
5 ein Graph, der Modi der zeitlichen Veränderung für den Druck in einem Verbrennungsofen, den Druck in einem Strahlungsofen, die Verbrennungsluftströmungsrate des Brenners und die Überverbrennungsluftströmungsrate zeigt, wenn die herkömmlichen Techniken auf eine Schlackesieb-Reinigungsoperation angewendet werden, während ein U-förmiger Schmelzkammerverbrennungskessel im Betrieb ist;
6 ein Graph, der Modi der zeitlichen Veränderung für den Druck in einem Verbrennungsofen, den Druck in einem Strahlungsofen, die Verbrennungsluftströmungsrate des Brenners, die Überverbrennungsluftströmungsrate und den durch ein Schlackesieb übertragenen Wärmefluss zeigt, wenn die erfindungsgemäßen Techniken auf eine Schlackesieb-Reinigungsoperation angewendet werden, während ein U-förmiger Schmelzkammerverbrennungskessel im Betrieb ist;
7 eine schematische Ansicht eines herkömmlichen U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels; und
8 eine vergrößerte Schnittansicht längs der Line A-A in 7.
Eine Ausführungsform eines U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels und ein Verfahren zum Betrieb desselben gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beschrieben.
Es wird auf 1 Bezug genommen, die schematisch einen U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessel in der vorliegenden Ausführungsform zeigt. In dieser enthält der Verbrennungskessel einen Verbrennungsofen 5, der eine Verbrennungskammer 1 mit wassergekühlten Wänden, die mit einer feuerfesten Schicht aus feuerfestem Material überzogen sind, Brenner 2, die an der Decke der Verbrennungskammer 1 in einer vertikalen Position eingerichtet sind, eine Schmelzkammer 3, die am Boden der Verbrennungskammer 1 als Abfluss zur Ableitung geschmolzener Schlacke ausgebildet ist, und ein Schlackesieb 4 umfasst, welches durch Anordnen mehrerer Siebröhren 4a ausgebildet ist. Das Schlackesieb 4 ist an einer Position der Verbrennungskammer 1 angeordnet, an der die durch die Verbrennungskammer 1 nach unten laufenden Flammen beginnen, nach oben zu laufen. Der Kessel umfasst außerdem eine Konvektionswärmeübertragungseinheit 7, die einen Strahlungsofen 6, der frei liegende Seitenwände aufweist und unterhalb des Verbrennungsofens 5 mit Bezug auf die Laufrichtung der Flammen angeordnet ist, und Überhitzerröhren enthält.
Der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel in der ersten Ausführungsform ist im Bereich des Strahlungsofens 6 unterhalb des Schlackesiebs 4 mit einer Düse 13 zum Blasen von Überverbrennungsluft in den Strahlungsofen 6 versehen. Der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel ist im Bereich des Verbrennungsofens 5 oberhalb des Schlackesiebs 4 mit keiner Düse zum Blasen von Überverbrennungsluft in den Verbrennungsofen 5 versehen.
Der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel in der ersten Ausführungsform ist mit einer Steuerung 20 versehen. Die Steuerung 20 steuert die Verbrennungsluftzuführrate und die Zuführrate für pulverisierte Kohle, mit denen die Verbrennungsluft und die pulverisierte Kohle in den Verbrennungsofen 5 eingeleitet werden, sowie die Überverbrennungsluftzuführrate, mit der Überverbrennungsluft in den Strahlungsofen 6 eingeleitet wird.
In 1 deuten die gedachten Linien die Form eines herkömmlichen U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels an, der ausgelegt ist, um Überverbrennungsluft in einen Raum oberhalb eines Schlackesiebs einzublasen und um das Luftverhältnis in der Nähe des Schlackesiebs auf 1 einzustellen.
Wie oben erwähnt, wenn Luft den Brennern 102 des herkömmlichen U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels, der in 7 gezeigt ist, so zugeführt wird, dass das Luftverhältnis zur Reduzierung von NO_x auf 0,8 verringert wird, wird die Wärmemenge, die in dem Verbrennungsofen 105 erzeugt wird, um etwa 30 % abnehmen, die Temperatur im Verbrennungsofen 105 fällt etwa 100 °C ab und die Dicke der Schlackeschicht vervielfacht sich um 1,5 bis 1,6. Folglich fällt die Tem peratur der abgeführten Schlacke ab, die Schlacke kann nicht stetig abgeführt werden, die Ablagerung von Schlacke an den Siebröhren 104a des Schlackesiebs 104 nimmt zu, der offensichtliche Außendurchmesser der Siebröhren 104a, die mit einer Schlackeschicht überzogen sind, nimmt zu, und die Schlacke reichert sich in einem Teil der Siebröhren 104a an, wodurch ein fortlaufender Betrieb schwierig wird. Daher bläst die herkömmliche Technik Überverbrennungsluft durch die Düse 112 in einen Raum oberhalb des Schlackesiebs 104, um ein solches Problem zu lösen.
Der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel in der ersten Ausführungsform bläst keine Überverbrennungsluft in einen Raum oberhalb des Schlackesiebs 4, und, wie in 1 gezeigt, das Volumen des Verbrennungsofens 5 beträgt etwa 55 bis etwa 60 % von dem des Verbrennungsofens des herkömmlichen U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels, der durch die gedachten Linien in 1 angedeutet ist.
Der Verbrennungsofen 5 ist in einem solchen reduzierten Volumen von etwa 55 bis 60 % von dem eines Verbrennungsofens des herkömmlichen U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels aus folgenden Gründen ausgebildet. Wenn die Steuerung 20 die Luftzuführrate, mit der Luft den Brennern 2 zugeführt wird, auf eine Größenordnung von 0,8 verringert, reagiert ein Teil der pulverisierten Kohle mit Sauerstoff nur soweit, dass CO erzeugt wird. Es ist empirisch bekannt, dass die Wärmeerzeugungsrate bei der Reaktion von pulverisierter Kohle mit Sauerstoff in einem solchen Modus in der Größenordnung von 70 % der Wärmeerzeugungsrate liegt, mit der die Wärme bei einem Luftverhältnis von 1 erzeugt wird. Das Volumen der Verbrennungskammer 5, das erforderlich ist, um die Temperatur des Gases, das durch das Schlackesieb 4 strömt, auf dem Niveau der Temperatur des Gases zu halten, das durch das Schlackesieb im herkömmlichen U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessel strömt, ohne Überverbrennungsluft in einen Raum oberhalb des Schlackesiebs 4 zu blasen, beträgt 0,7^3/2 = 0,58 mal das des Verbrennungsofens des herkömmlichen U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels. Daher liegt in dieser Ausführungsform das Volumen des Verbrennungsofens 5 im Bereich von etwa 55 bis etwa 60 % des Verbrennungsofens 105 des herkömmlichen U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels. Die Temperatur des Gases am Schlackesieb 4 ist äußerst niedrig und das Schlackesieb 4 kann verstopft sein, wenn das Volumen des Verbrennungsofens 5 größer ist als die obere Grenze des oben erwähnten Bereichs. Die Temperatur des Gases am Schlackesieb ist äußerst hoch, und die Siebröhren 4a werden freigelegt und nicht in der Lage sein, als Ascheschmelzofen zu funktionieren, wenn das Volumen des Verbrennungsofens 5 kleiner als die untere Grenze des oben erwähnten Bereichs ist.
Somit hat der Verbrennungsofen 5 ein verringertes Volumen, das etwa 55 bis 60 % von jenem des Verbrennungsofens des herkömmlichen U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels beträgt. Dieser ist ausgelegt, um Überverbrennungsluft in einen Raum oberhalb des Schlackesiebs derart einzublasen, dass das Luftverhältnis am Schlackesieb 1 beträgt. Dabei wird Luft durch die Brenner 2 in die Verbrennungskammer 5 so eingeleitet, dass das Luftverhältnis unter 1 liegt (z. B. etwa 0,8). Zudem wird pulverisierte Kohle im Verbrennungsofen 5 in einem brennstoffreichen Verbrennungsmodus verbrannt, um eine reduzierende Atmosphäre im Verbrennungsofen 5 zu erzeugen, um die Temperatur im Verbrennungsofen auf eine Temperatur um die Fluidtemperatur anzuheben.
Folglich ist die Temperatur im Verbrennungsofen 5 im Wesentlichen gleich der im herkömmlichen Verbrennungsofen, der durch die gedachten Linien angedeutet ist. Die Schlacke wird mit derselben Dicke abgelagert und kann stetig durch die als Abfluss ausgebildete Schmelzkammer 3 abgeführt werden, obwohl die reduzierende Atmosphäre im Verbrennungsofen 5 erzeugt wird. Die Schlacke fällt auf eine Schlackefördereinrichtung 9, die in einem Schlackeabschreckwasserbad 8 eingerichtet ist, und wird wegbefördert. Gleichzeitig nimmt die NO_x-Erzeugung im Verbrennungsofen 5 ab. Stickstoff und flüchtige Komponenten der pulverisierten Kohle, die durch die Brenner 2 in den Verbrennungsofen 5 geblasen werden, werden in HCN und NH₃ umgewandelt. Ein Teil des Stickstoffs, der in der pulverisierten Kohle enthalten ist, wird oxidiert, um NO zu erzeugen. In der reduzierenden Atmosphäre mit hoher Temperatur wird ein Teil des NO zu N₂ reduziert, so dass NO_x abnimmt.
Pulverisierte Kohle wird im Verbrennungsofen 5 in einem brennstoffreichen Verbrennungsmodus verbrannt, in dem das Verhältnis von Luft zu Brennstoff kleiner ist als jenes, welches durch ein stöchiometrisches Luft/Brennstoff-Verhältnis spezifiziert ist, und CO-Gas, das durch die Verbrennung erzeugt wird, strömt in den Strahlungsofen 6. Überverbrennungsluft wird zur vollständigen Verbrennung in den Strahlungsofen 6 durch die Düse 13 in einen Raum geblasen, der zur vollständigen Verbrennung von CO geeignet ist, wie zum Beispiel in einen Raum, in dem die Temperatur 1200 °C oder mehr beträgt. Somit wird die NO_x-Emission weiter gesenkt.
2 zeigt die Veränderung der NO_x-Konzentration bei einem niedrigen Brennerluftverhältnis, wenn der in 7 gezeigte herkömmliche U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel durch ein herkömmliches Verfahren betrieben wird, welches Überverbrennungsluft durch die Düse 112 in den Verbrennungsofen 105 über dem Schlackesieb 104 bläst, und wenn der in 1 gezeigte U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel der ersten Ausführungsform durch ein Verfahren nach dieser Ausführungsform betrieben wird, welches Überverbrennungsluft durch die Düse 13 in den Strahlungsofen 6 bläst.
Wie aus der 2 ersichtlich ist, hat das Verfahren nach dieser Ausführungsform, welches des Brennerluftverhältnis verringert und Überverbrennungsluft durch die Düse 13 in den Strahlungsofen 6 unterhalb des Schlackesiebs 4 bläst, einen NO_x-reduzierenden Effekt. Die Auswirkung der Änderung der Position, an der Überverbrennungsluft zugeführt wird, ohne das Brennerluftverhältnis mit der Verweilzeit in den Brennern 2 zu ändern, ist auch in 2 gezeigt. Der NO_x-reduziertende Effekt steigt mit der Verweilzeit im Brenner 2 bis zur Zuführung von Überverbrennungsluft an.
Eine andere Ausführungsform des U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels und ein Verfahren zum Betrieb desselben gemäß der vorliegenden Erfindung werden folgend beschrieben.
3 zeigt schematisch einen U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessel nach dieser Ausführungsform. Der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel weist einen komplizierten Aufbau auf, und daher ist der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel im Allgemeinen ein Kessel mit einem Durchlauf. Die Temperatur des Wassers, das durch einen Vorwärmer 16 geleitet wird, ist geringer als die Verdampfungstemperatur. Daher ist, wie in 4 gezeigt, ein Verdampfungssystem so konstruiert, dass das durch den Vorwärmer 16 geleitete Wasser durch ein Schlackesieb 4, einen Verbrennungsofen 5 und einen Strahlungsofen 6 zu einer Konvektionswärmeübertragungseinheit 7 fließt. Außerdem sind in 4 eine Turbine 21, ein Dampfverdichter 22 und eine Kesselzuführungspumpe 23 gezeigt.
In der vorliegenden Ausführungsform mit dem obigen Verdampfungssystem sind ein Thermometer T₁ an einer Stelle oberhalb und in der Nähe des Siebröhreneinlaufverteilers 14 für das Schlackesieb 4 und ein Thermometer T₂ an einer Stelle oberhalb und in der Nähe des Siebröhrenauslaufverteilers 15 platziert. Die Thermometer T₁ und T₂ messen die entsprechenden Temperaturen des Siebröhreneinlaufverteilers 14 bzw. des Siebröhrenauslaufverteilers 15. Eine Steuerung 20 berechnet den Wärmefluss, der durch die Siebröhren 4a übertragen wird, aus der Differenz zwischen den Temperaturen, die durch die Thermometer T₁ und T₂ gemessen wurden, und überwacht den Wärmefluss.
Der durch die Siebröhren 4a übertragene Wärmefluss wird durch Verwenden des folgenden Ausdrucks berechnet: (Wärmefluss) = 1,163 × (Wasserzuführrate) × (spezifische Wärmekapazität von Wasser) × {(Auslauftemperatur) – (Einlauftemperatur)}/(Flächeninhalt der Oberfläche der Siebröhren (W/m2))
Der durch die Siebröhren 4a des U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels übertragene Wärmefluss hängt von der Eigenschaft der Kohle und der Beladung ab. Normalerweise liegt der Wärmefluss im Bereich von 140 bis 145 kW/m². Wenn das Schlackesieb verstopft ist, sinkt der Wärmefluss auf oder unter 35 kW/m². Daher wird der berechnete Wärmefluss überwacht, und es wird festgestellt, dass das Schlackesieb 4 verstopft ist, wenn der berechnete Wärmefluss auf oder unter 35 kW/m² sinkt.
Gründe zum Detektieren der Verstopfung des Schlackesiebs 4 durch die Berechnung des durch die Siebröhren 4a des Schlackesiebs 4 übertragenen Wärmeflusses und für die Überwachung des berechneten Wärmeflusses werden später beschrieben.
Der in 1 gezeigte U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel wird durch das genannte Verfahren zum Betrieb mit wenig NO_x betrieben, indem Luft durch die Brenner 2 in die Verbrennungskammer 5 so zugeführt wird, dass das Luftverhältnis unter 1 liegt. 5 zeigt, dass während der Druck im Strahlungsofen 6 sich zwischen 13:00 h und 18:00 h nur wenig ändert, der Druck in der Verbrennungskammer 5 langsam steigt, wobei Schlacke sich auf oder unter dem Schlackesieb 4 ansammelt und damit der Druckverlust ansteigt.
Wie in 5 gezeigt, erhöht dieses Verfahren die Brennerverbrennungsluftzuführrate, mit der die Luft in den Verbrennungsofen 5 zugeführt wird, und verringert außerdem die Strömungsrate der Überverbrennungsluft, die in den Strahlungsofen bei etwa 16:00 h etwa drei Stunden nach dem Beginn des Betriebs zugeführt wird, um für einen Reinigungsvorgang des verstopften Schlackesiebs die Verbrennung im Verbrennungsofen 5 zu erhöhen und den Druck im Verbrennungsofen 5 zu senken.
6 ist ein Graph, der Modi für die Variation des Drucks im Verbrennungsofen, des Drucks im Strahlungsofen, der Brennerverbrennungsluftströmungsrate, der Überverbrennungsluftströmungsrate und des Wärmeflusses, der durch das Schlackesieb transportiert wird, mit der Zeit zeigt, wenn ein Reinigungsvorgang des verstopften Schlackesiebs nach der vorliegenden Ausführungsform durchgeführt wird, während der in 3 gezeigte U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel in Betrieb ist. Wie aus 6 ersichtlich, sinkt der durch das Schlackesieb 4 transpor tierte Wärmefluss auf oder unter 35 kW/m² und das Schlackesieb 4 ist gegen bereits 13:00 h verstopft, wenn der Druck in der Verbrennungskammer 5 erst beginnt, langsam anzusteigen.
Wenn in der vorliegenden Ausführungsform, wie in 6 gezeigt ist, die Verringerung des Wärmeflusses, der durch das Schlackesieb 4 übertragen wird, auf oder unter 35 kW/m² detektiert wird, wird die Brennerverbrennungsluftzuführrate erhöht und die Überverbrennungsluftzuführrate, mit der die Überverbrennungsluft in den Strahlungsofen 6 zugeführt wird, gesenkt, um den Wärmefluss, der durch das Schlackesieb 4 transportiert wird, auf oder über 35 kW/m² zu erhöhen, um eine Verstopfung des Schlackesiebs 4 zu beseitigen. Während man bislang etwa drei Stunden benötigt, bevor festgestellt wird, dass das Schlackesieb 4 verstopft ist, wenn der Druck im Verbrennungsofen 5 überwacht wird, kann nun das Verstopfen des Schlackesiebs 4 in kurzer Zeit festgestellt werden. Dazu überwacht man den Wärmefluss, der durch das Schlackesieb 4 übertragen wird, so dass Maßnahmen zum Beseitigen einer Verstopfung des Schlackesiebs 4 sofort ergriffen werden können. Nach Detektion der Verstopfung des Schlackesiebs 4 wird die Verbrennungsluftzuführrate, mit der Luft durch die Brenner 2 in den Verbrennungsofen 5 zugeführt wird, erhöht. Die Überverbrennungsluftzuführrate, mit der die Überverbrennungsluft in den Strahlungsofen 6 zugeführt wird, wird verringert, so dass das Luftverhältnis im Verbrennungsofen 5 über 0,8 hinaus erhöht wird. Wie in 6 gezeigt, wird eine Verstopfung des Schlackesiebs 4 beseitigt, indem man den Wärmefluss, der durch die Siebröhren 4a des Schlackesiebs 4 übertragen wird, auf oder über 35 kW/m² erhöht.
Dieses Vorgehen erhöht die NO_x-Konzentration am Ausgang des U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels. Daher wird der Ammoniakverbrauch erhöht, wenn der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel mit einem System zur Entfernung von NO_x versehen ist, oder es wird das Luftverhältnis im Ofen zu einem Grad erhöht, der die vorgeschriebene NO_x-Konzentration einhält, wenn der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel nicht mit einem System zum Entfernen von NO_x versehen ist.
Wenn der obige Betrieb mit wenig NO_x durchgeführt wird und sich der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel in einem Teilbeladungsbetrieb befindet, werden die Brennstoffzufuhr und die Luftzufuhr durch die Brenner 2 in die Verbrennungskammer 5 unmittelbar nach Detektion der Verstopfung des Schlackesiebs 4 erhöht, indem die Temperatur des Gases, das durch das Schlackesieb 4 strömt, und der Wärmefluss, der durch den Siebröhren 4a des Schlackesiebs 4 übertragen wird, auf oder über 35 kW/m² erhöht werden. Die Leistungserzeugung steigt, wenn der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel so betrieben wird. In einem derartigen Fall kann die Beladung in den anderen Kessel des Systems reduziert werden.
In einem anderen Beispiel wird ein die Fluidtemperatur senkendes Mittel zum Senken der Fluidtemperatur der Schlacke in den Verbrennungsofen 5 unmittelbar nach Detektion der Verstopfung des Schlackesiebs 4 zugeführt, während sich der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel im Betrieb mit wenig NO_x befindet, um die Fluidtemperatur der Schlacke zu senken, so dass die Schlacke schmilzt und leichtgängig durch die als Abfluss ausgebildete Schmelzkammer 3 fließt, die Menge der am Schlackesieb 4 angelagerten Schlacke abnimmt und das Schlackesieb 4 geöffnet wird. Das die Fluidtemperatur senkende Mittel ist zum Beispiel Kalkstein, Dolomit, Eisenerz oder Eisenoxidpulver. Wenn zum Beispiel 1 %, 2 % und 2,8 % Kalkstein auf 100 % pulverisierter Kohle in die Verbrennungskammer 1 zugeführt wird, fällt die Temperatur in der Verbrennungskammer 5 um 60 °C, 90 °C bzw. 120 °C ab.
Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, halten die U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessel und Verfahren zum Betrieb derselben, die die vorliegende Erfindung verkörpern, eine stetige Abführung von geschmolzener Kohlenascheschlacke aufrecht, indem die reduzierende Atmosphäre mit hoher Temperatur in der Verbrennungskammer 1 erzeugt wird, und sie reduzieren NO_x, indem die Verweilzeit verlängert wird, in der das CO, das durch die unvollständige Verbrennung pulverisierter Kohle erzeugt wird, verbleibt, bevor die Überverbrennungsluft in den Strahlungsofen 6 unterhalb des Verbrennungsofens 5 geblasen wird. Dadurch sen ken die vorliegenden Ausführungsformen die NO_x-Emission auf etwa 1/3 der NO_x-Emission, die auftritt, wenn der herkömmliche U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel durch das herkömmliche Verfahren betrieben wird. Auf das System zur Entfernung von NO_x, welches vom U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessel benötigt wird, kann verzichtet werden oder eine geringe NO_x-Entfernungsfähigkeit aufweisen. Folglich können die Ausstattungskosten und Betriebskosten des U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels verringert werden.
Die U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessel und Verfahren zum Betrieb derselben, die die vorliegende Erfindung verkörpern, sind in der Lage, die Verstopfung des Schlackesiebs in kurzer Zeit genau zu detektieren, während sich der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel im Betrieb mit wenig NO_x befindet. Der Wärmefluss, der durch die Siebröhren 4a des Schlackesiebs 4 übertragen wird, wird erhöht oder ein Mittel zum Senken der Fluidtemperatur wird in den Verbrennungsofen geführt, um die Fluidtemperatur der Schlacke zu senken, so dass die Schlacke schmilzt und leichtgängig fließt. Dadurch nimmt die Menge Schlacke, die sich am Schlackesieb ablagert 4 ab und das Schlackesieb 4 wird unmittelbar nach Detektion der Verstopfung des Schlackesiebs 4 geöffnet. Somit ist der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel in der Lage, den Betrieb sicher fortzusetzen.

Claims

U-förmiger Schmelzkammerverbrennungskessel, umfassend einen Verbrennungsofen (5) mit wenigstens einem Brenner (2), der pulverisierte Kohle als Brennstoff verbrennt und einen nachgeschalteten Strahlungsofen (6) mit wenigstens einer Konvektionswärmeübertragungseinheit (7), wobei ein Schlackesieb (4) mit Siebröhren (4a) den Verbrennungsofen (5) vom Strahlungsofen (6) trennt; einen Abfluss (3) für geschmolzene Schlacke im Verbrennungsofen (5) sowie eine Steuerung zum Steuern einer Luftzuführungsrate, mit der Luft durch den wenigstens einen Brenner (2) in den Verbrennungsofen (5) zuführbar ist, und zum Steuern einer Brennstoffzuführungsrate, mit der der Brennstoff durch den wenigstens einen Brenner (2) in den Verbrennungsofen (5) zuführbar ist, wobei die Steuerung der Luftzuführungsrate derart steuerbar ist, dass das Luftverhältnis im Verbrennungsofen so unter 1 liegt, dass über den gesamten Verbrennungsofen (5) vom wenigstens einen Brenner (2) zum Schlackesieb (4) eine reduzierende Atmosphäre und eine Temperatur um die Fluidtemperatur der Schlacke erzeugt werden, um die pulverisierte Kohle in einem brennstoffreichem Verbrennungsmodus im Verbrennungsofen (5) zu verbrennen, um damit eine NOx-Erzeugung zu reduzieren, wobei in dem Verbrennungsofen (5) keine weiteren Luftdüsen zur Zuführung zusätzlicher Luft vorgesehen sind, und umfassend die Ausbildung des Verbrennungsofens (5) derart, dass das Volumen des Verbrennungsofens (5) in Bereich von 55 bis 60 % des Volumens eines herkömmlichen Verbrennungsofens liegt.
Schmelzkammerverbrennungskessel nach Anspruch 1, bei dem die Luftzuführungsrate derart steuerbar ist, dass das Luftverhältnis auf etwa 0,8 reduziert wird.
Schmelzkammerverbrennungskessel nach Anspruch 1 oder 2, der weiter eine Düse umfasst, um eine Überverbrennungsluft in den Strahlungsofen (6) ein zulassen, um die vollständige Verbrennung zur weiteren Reduzierung der NOx-Emissionen zu erreichen.
Schmelzkammerverbrennungskessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der weiter Thermometer enthält, die in der Nähe des Einlaufs und des Auslaufs der Siebröhren (4a) angeordnet sind, wobei die Steuerung einen Wärmefluss, der durch die Siebröhren (4a) transportiert wird, aus der Differenz zwischen den Temperaturen berechnet, die durch die Thermometer gemessen werden, wobei die Steuerung feststellt, dass das Schlackesieb (4) verstopft ist, wenn ein berechneter Wärmefluss kleiner als ein vorgegebener Wärmefluss ist, die Luftzuführrate erhöht, um das Luftverhältnis über ein vorgegebenes Luftverhältnis hinaus so zu erhöhen, dass der Wärmefluss auf oder über einen vorgegebenen Wärmefluss erhöht wird, um die Verstopfung des Schlackesiebs (4) zu beseitigen.
Schmelzkammerverbrennungskessel nach Anspruch 4, bei dem der vorgegebene Wärmefluss 35 kW/m² und das vorgegebene Luftverhältnis 0,8 betragen.
Schmelzkammerverbrennungskessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der weiter Thermometer enthält, die in der Nähe des Einlaufs und des Auslaufs der Siebröhren (4a) angeordnet sind, wobei die Steuerung einen Wärmefluss, der durch die Siebröhren (4a) transportiert wird, aus der Differenz zwischen den Temperaturen berechnet, die durch die Thermometer gemessen werden, während der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel unter Teilbeladung arbeitet, wobei die Steuerung feststellt, dass das Schlackesieb (4) verstopft ist, wenn ein berechneter Wärmefluss kleiner als ein vorgegebener Wärmefluss ist, die Luftzuführrate und die Brennstoffzuführrate erhöht, um eine Temperatur des Gases, das durch das Schlackesieb (4) strömt, so anzuheben, dass der Wärmefluss auf oder über einen vorgegebenen Wärmefluss erhöht wird, um die Verstopfung des Schlackesiebs (4) zu beseitigen.
Schmelzkammerverbrennungskessel nach Anspruch 6, bei dem der vorgegebene Wärmefluss 35 kW/m² beträgt.
Schmelzkammerverbrennungskessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der weiter Thermometer enthält, die in der Nähe des Einlaufs und des Auslaufs der Siebröhren (4a) angeordnet sind, und die Steuerung einen Wärmefluss, der durch die Siebröhren (4a) transportiert wird, aus der Differenz zwischen den Temperaturen berechnet, die durch die Thermometer gemessen werden, wobei die Steuerung feststellt, dass das Schlackesieb (4) verstopft ist, wenn ein berechneter Wärmefluss kleiner als ein vorgegebener Wärmefluss ist, und ein die Fluidtemperatur der Schlacke senkendes Mittel in den Verbrennungsofen (5) zuführt, so dass die Schlacke schmilzt und leichtgängig fließt, wodurch eine Menge an Schlacke, die sich auf dem Schlackesieb (4) abgesetzt hat, abnimmt, und eine Verstopfung des Schlackesiebs (4) beseitigt wird.
Schmelzkammerverbrennungskessel nach Anspruch 8, bei dem der vorgegebene Wärmefluss 35 kW/m² beträgt.
Verfahren zum Betrieb eines U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem Luft und pulverisierte Kohle als Brennstoff durch den wenigstens einen Brenner (2) in den Verbrennungsofen (5) derart zugeführt werden, dass das Luftverhältnis im Verbrennungsofen so unter 1 liegt, dass über den gesamten Verbrennungsofen (5) vom wenigstens einen Brenner (2) zum Schlackesieb (4) eine reduzierende Atmosphäre und eine Temperatur um die Fluidtemperatur der Schlacke erzeugt werden, um die pulverisierte Kohle in einem brennstoffreichen Verbrennungsmodus im Verbrennungsofen (5) zu verbrennen, um damit eine NOx-Erzeugung zu reduzieren, wobei in den Verbrennungsofen keine zusätzliche Luft eingeblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Luftverhältnis von Luft, die durch den Brenner (2) in den Verbrennungsofen (5) eingeleitet wird, auf etwa 0,8 reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem eine Überverbrennungsluft in den Strahlungsofen (6) eingeblasen wird, um die vollständige Verbrennung zur weiteren Reduzierung der NOx-Emission zu erreichen.
Verfahren zum Reinigen des Schlackesiebs eines U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem ein Wärmefluss aus den bei der Verbrennung im Verbrennungsofen (5) entstehenden Gasen, der durch das Schlackesieb (4) transportiert wird, aus der Differenz zwischen den Temperaturen des Gases berechnet wird, die durch Thermometer, die vor und nach dem Schlackesieb (4) angeordnet sind, gemessen werden, so dass dadurch feststellbar ist, dass das Schlackesieb (4) verstopft ist, wenn ein berechneter Wärmefluss kleiner als ein vorgegebener Wärmefluss ist, und wobei dazu die Luftzuführungsrate in den Verbrennungsofen (5) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der vorgegebene Wärmefluss 35 kW/m² und das vorgegebene Luftverhältnis 0,1 betragen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei dem ein Wärmefluss aus den bei der Verbrennung im Verbrennungsofen (5) entstehenden Gasen, der durch das Schlackesieb (4) transportiert wird, aus der Differenz zwischen den Temperaturen des Gases berechnet wird, die durch Thermometer, die vor und nach dem Schlackesieb (4) angeordnet sind, gemessen werden, während der U-förmige Schmelzkammerverbrennungskessel unter Teilbeladung arbeitet, so dass dadurch feststellbar ist, dass das Schlackesieb (4) verstopft ist, wenn ein berechneter Wärmefluss kleiner als ein vorgegebener Wärmefluss ist, und bei dem eine Luftzuführrate, mit der Luft durch den Brenner (2) in den Verbrennungsofen (5) eingeleitet wird, und eine Brennstoffzuführrate, mit der Brennstoff in den Verbrennungsofen (5) zugeführt wird, erhöht werden, um eine Temperatur des Gases, das durch das Schlackesieb (4) strömt, so anzuheben, dass der Wärmefluss, der durch das Schlackesieb (4) transportiert wird, auf oder über einen vorgegebenen Wärmefluss erhöht und eine Verstopfung des Schlackesiebs (4) beseitigt wird, wenn festgestellt wird, dass das Schlackesieb (4) verstopft ist.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der vorgegebene Wärmefluss 35 kW/m² beträgt.
Verfahren zum Reinigen des Schlackesiebs eines U-förmigen Schmelzkammerverbrennungskessels nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem ein Wärmefluss aus den bei der Verbrennung im Verbrennungsofen (5) entstehenden Gasen, der durch das Schlackesieb (4) transportiert wird, aus der Differenz zwischen den Temperaturen des Gases berechnet wird, die durch Thermometer, die vor und nach dem Schlackesieb (4) angeordnet sind, gemessen werden, so dass dadurch feststellbar ist, dass das Schlackesieb (4) verstopft ist, wenn ein berechneter Wärmefluss kleiner als ein vorgegebener Wärmefluss ist, und wobei dazu ein die Fluidtemperatur der Schlacke senkendes Mittel in den Verbrennungsofen (5) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der vorgegebene Wärmefluss 35 kW/m² beträgt.