DE10301316B3 - Fuel dust combustion method for preventing nitrous emissions e.g. for steam generator, with tangential injection of fuel rich stream and fuel impoverished stream into combustion chamber - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum NOx-armen Verbrennen von Brennstoffstaub in einem vertikalen Feuerraum mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt, bei dem in mindestens einer Horizontalebene jeweils in jeder Feuerraumwand und/oder jeder Feuerraumecke mindestens ein Brennstoffstaubbrenner angeordnet ist, von jedem Brennstoffstaubbrenner zumindest ein Brennstoff-Luft-Gemisch (Primärluft) und Sekundärluft tangential auf zumindest einen in der Horizontalebene liegenden gedachten Kreis ausgerichtet in den Feuerraum eingeblasen werden, und dem Feuerraum für die Verbrennung erforderliche weitere Luft zugeführt wird.The invention relates to a method and an apparatus for low-NO x combustion of fuel dust in a vertical combustion chamber with a substantially square cross-section, in which at least one fuel dust burner is arranged in at least one horizontal plane in each combustion chamber wall and / or each combustion chamber corner each fuel dust burner, at least one fuel-air mixture (primary air) and secondary air are blown into the combustion chamber tangentially aligned with at least one imaginary circle lying in the horizontal plane, and additional air required for combustion is supplied to the combustion chamber.
Durch die Druckschrift „NOx-arme Steinkohlentangentialfeuerung" in EVT-Bericht 118/96 (1996) ist ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoffstaub in einem Dampferzeuger bekannt geworden. Bei diesem bekannten Verbrennungsverfahren wird in einem vertikalen Feuerraum eines Dampferzeugers Steinkohle verfeuert. Der Brennstoff wird dabei zusammen mit Primärluft in vier Horizontalebenen durch Staubbrenner tangential auf einen gedachten bzw. imaginären Kreis in den Feuerraum zur Verbrennung eingeblasen. Die jeweilige Sekundärluft wird über Sekundärluftdüsen des Staubbrenners tangential auf einen weiteren, den ersten imaginären Kreis umhüllenden zweiten imaginären Kreis in den Feuerraum eingeblasen. Zur Vermeidung von reduzierenden und somit korrosiven Verhältnissen an den Feuerraumwänden, die aus Dampferzeugerrohrwänden besteht, wird ferner durch zusätzliche Düsen Wandluft parallel zu den Feuerraumwänden geleitet.By the publication "low NOx Steinkohlentangentialfeuerung" in EVT report 118/96 (1996) has disclosed a method and an apparatus for the combustion of fuel fines in a steam generator. In this known method of combustion of coal is burned in a vertical furnace of a steam generator The fuel is blown together with primary air in four horizontal planes through the dust burner tangentially onto an imaginary or imaginary circle in the combustion chamber for combustion. The respective secondary air is tangentially injected via secondary air nozzles of the dust burner into another second imaginary circle enveloping the first imaginary circle In order to avoid reducing and thus corrosive conditions on the combustion chamber walls, which consist of steam generator tube walls, wall air is also conducted parallel to the combustion chamber walls by means of additional nozzles.
Zur Reduzierung der durch die Verbrennung verursachten NOx-Emissionen wird dabei das Prinzip der axialen und radialen Luftstufung angewendet, d.h. die Luftführung wird so ausgeführt, dass sich zur Vermeidung der NOx-Bildung in der Mitte der jeweiligen Feuerraum-Horizontalebenen eine unterstöchiometrische (Luft- bzw. Sauerstoffmangel) Verbrennungszone einstellt. Zu den Feuerraum- bzw. Umfassungswänden hin, bzw. zum Feuerraumende (das bei der Verbrennung entstehende Verbrennungs- bzw. Rauchgas strömt innerhalb des vertikalen Feuerraumes von unten nach oben bzw. zum Feuerraumende) hin wird entsprechend Luft hinzudosiert, so dass sich im Wandbereich (durch radiale Luftstufung) bzw. am Feuerraumende (durch axiale Luftstufung) überstöchiometrische (Luft- bzw. Sauerstoffüberschuss) Verhältnisse einstellen. Das Einstellen überstöchiometrischer Verhältnisse ist besonders im Wandbereich wichtig, um das in unterstöchiometrischen Zonen auftretende und korrosiv wirkende Kohlenmonoxid von den Umfassungswänden fernzuhalten.In order to reduce the NO x emissions caused by the combustion, the principle of axial and radial air grading is used, i.e. the air flow is designed so that to avoid NO x formation, a substoichiometric (air - or lack of oxygen) combustion zone. Appropriate air is metered in towards the combustion chamber or surrounding walls or towards the end of the combustion chamber (the combustion or flue gas generated during combustion flows from the bottom upwards within the vertical combustion chamber or to the end of the combustion chamber) so that there is by means of radial air gradation) or at the end of the combustion chamber (through axial air gradation) set above-stoichiometric (excess air or oxygen) conditions. The setting of over-stoichiometric ratios is particularly important in the wall area in order to keep the carbon monoxide which occurs in sub-stoichiometric zones and which has a corrosive effect away from the surrounding walls.
Dieses bekannte Verfahren erfordert eine aufwändige Luftführung mit zahlreichen auf die Feuerraum- bzw. Umfassungswände zielenden Zusatzdüsen zum Aufbau der radialen Luftstufung. Dieser Wandluftschleier sollte bei allen Betriebszuständen lückenlos sein, um CO-Korrosionsangriffe zu verhindern. Durch den Impuls dieser Düsen besteht in ungünstigen Fällen die Möglichkeit, dass durch die Ansaugwirkung dieser Düsen der Feuerball in der Brennkammer bzw. im Feuerraum zu den Umfassungswänden hin verlagert werden könnte, wodurch unter Umständen Verschlackungen an den Wänden hervorgerufen werden können.This known method requires an elaborate air duct with numerous targets aimed at the combustion chamber or surrounding walls additional nozzle to build up the radial air gradation. This wall air curtain should seamless in all operating conditions to prevent CO corrosion attacks. By the impulse of this Nozzles in unfavorable make the possibility, that due to the suction effect of these nozzles, the fireball in the combustion chamber or in the combustion chamber could be shifted to the surrounding walls, which means under circumstances Slagging on the walls can be.
In der Regel erfordert die Einstellung der Luftmengen zur Aufrechterhaltung der axialen sowie radialen Luftstufung bei allen Lastfällen genaue Mess- und Regeleinrichtungen und sowie erfahrenes Betriebspersonal. Des weiteren ergibt sich beim Umbau vorhandener Feuerungen auf derartige NOx-arme Feuerungen ein erheblicher Kostenaufwand durch Nachrüsten der Zusatzdüsen.As a rule, the adjustment of the air quantities to maintain the axial and radial air grading requires precise measuring and control devices and experienced operating personnel for all load cases. Furthermore, when existing furnaces are converted to such low-NO x furnaces, there is a considerable cost involved in retrofitting the additional nozzles.
Durch Druckschrift
Durch Druckschrift US PS 4,294,178 ist ein Tangentialfeuerungssystem bekannt geworden, das jeweils in den Feuerraumecken Kohlenstaubbrenner aufweist. Ausgehend von diesen Eckenbrennern wird tangential auf einen ersten bzw. inneren, imaginären horizontalen Kreis Kohle und Primärluft, auf einen zweiten und den ersten umschließenden Kreis rezirkuliertes Rauchgas und auf einen dritten und den zweiten umschließenden Kreis Sekundärluft in den Feuerraum eingetragen.By publication US Pat. No. 4,294,178 a tangential combustion system has become known, each has coal dust burners in the corners of the combustion chamber. Starting from these corner burners are tangential to a first or inner one, imaginary horizontal Circle of coal and primary air, recirculated to a second and the first enclosing circle Flue gas and a third and the second enclosing circle secondary air entered in the firebox.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum NOx-armen Verbrennen von Brennstoffstaub zu schaffen, bei dem bzw. mit der die obengenannten Nachteile bzw. die große Anzahl aufwändiger Wandluft- bzw. Schleierluftdüsen vermieden werden können sowie eine weniger aufwendigere Mess- und Regeleinrichtung vorzusehen.The object of the invention is now to provide a method and an apparatus for low NOx combustion of fuel fines to provide, or with which the above-mentioned disadvantages and the large number of costly Wandluft- or sheath air nozzles can be avoided in the well as a less expensive Provide measuring and control equipment.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 4 gelöst.The above object is achieved with regard to the method by the characterizing Features of claim 1 and with respect to the device solved by the characterizing features of claim 4.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous embodiments of the Invention are the dependent claims refer to.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung geschaffen, das bzw. die die nachfolgenden Vorteile aufweist:
- – Durch die Eindüsung eines brennstoffreichen Gemischstroms tangential auf einen feuerraumzentrumsnahen gedachten Kreis oder direkt auf das Feuerraumzentrum ausgerichtet und eines brennstoffarmen Gemischstroms tangential auf einen den ersten gedachten Kreis umhüllenden zweiten gedachten Kreis ausgerichtet wird in dem Feuerraum ein Brennstoffkonzentrationsgefälle von der Mitte zur Wand hin erzeugt, d.h. es liegt eine hohe Brennstoffkonzentration in der Mitte, eine geringer werdende Brennstoffkonzentration zur Wand hin vor, so dass die Stöchiometrie der Verbrennung ebenfalls von der Mitte zur Wand hin zunimmt. Somit kann gewährleistet werden, dass in der Hauptverbrennungszone in der Mitte des Feuerraumes unterstöchiometrische und somit NOx-arme Verbrennungsbedingungen herrschen, während an den Umfassungs- bzw. Feuerraumwänden ausreichend Sauerstoff zur Vermeidung der CO-Korrosion vorhanden ist,
- – durch die Aufkonzentration eines brennstoffreichen Gemischstroms und örtlich getrennte Einblasung dieses Gemischstroms von dem brennstoffarmen Gemischstrom in Richtung des Feuerraumzentrums kann vermieden werden, dass Brennstoff in die Nähe der Feuerraumwand gelangt und dort verbrennt, d. h. das Feuer wird konzentrierter in der Feuerraummitte gehalten, so dass die Rauchgastemperaturen in Wandnähe gegenüber den herkömmlichen Verfahren geringer werden, was somit die Verschlackungsneigung an den Feuerraumwänden reduziert. Die Vermeidung von zur Feuerraumwand hin abgelenkten Luftdüsen begünstigen diesen Sachverhalt, da kein direkt an die Wand gerichteter Impuls und somit keine entsprechende Brennstoffansaugung vorliegt,
- – aus der Tatsache, dass der Brennstoff hochkonzentriert in den Feuerraum eingebracht wird, wird die Zündstabilität der Brenner verbessert, was insbesondere im Teillastfall zu einem stabileren Betrieb der Feuerung führt,
- – durch den Wegfall von zu den Feuerraumwänden hin abgelenkten Luftdüsen mit entsprechenden Mess- und Regeleinrichtungen kann der Brennstoffstaubbrenner einfacher, kompakter und somit kostengünstiger ausgeführt werden,
- – der Aufwand bei Umbauten von konventionellen Tangentialfeuerungen auf NOx-arme Feuerungen ist beim Einsatz der erfindungsgemäßen radialen Brennstoffstufung deutlich geringer als beim Einsatz der radialen Luftstufung, da auf zusätzliche Luftdüsen, Mess- und Regeleinrichtungen weitestgehend verzichtet werden kann, es sind ggf. lediglich Modifikationen an den Brennstoffstaubleitungen bzw. der Brennstoffstaubaustrittsdüsen erforderlich,
- – der Betrieb der erfindungsgemäßen Feuerung mit Brennstoffstufung ist im Vergleich zu einer Feuerung mit radialer Luftstufung aufgrund der nicht vorhandenen Mess- und Regeleinrichtungen für zusätzliche Luftdüsen einfacher, der Betrieb entspricht der einer konventionellen Tangentialfeuerung.
- - By injecting a fuel-rich mixture flow tangentially to an imaginary circle near the center of the combustion chamber or directly to the center of the furnace and a fuel-poor mixture stream tangentially aligned to a second imaginary circle enveloping the first imaginary circle, a fuel concentration gradient is generated in the furnace from the center to the wall, ie there is a high fuel concentration in the middle, a decreasing fuel concentration towards the wall, so that the stoichiometry of the combustion also increases from the center towards the wall. This ensures that the main combustion zone in the middle of the combustion chamber is under-stoichiometric and therefore low in NO x , while there is sufficient oxygen on the surrounding or combustion chamber walls to avoid CO corrosion.
- - By concentrating a fuel-rich mixture flow and locally blowing this mixture flow from the low-fuel mixture flow towards the center of the combustion chamber, it can be avoided that fuel gets near the combustion chamber wall and burns there, ie the fire is held more concentrated in the center of the combustion chamber, so that the Flue gas temperatures near the wall are lower than with conventional methods, which reduces the tendency to slagging on the walls of the combustion chamber. The avoidance of air nozzles deflected towards the combustion chamber wall favors this situation, since there is no impulse directed directly at the wall and therefore there is no corresponding fuel intake.
- The fact that the fuel is introduced into the combustion chamber in a highly concentrated manner improves the ignition stability of the burners, which leads to more stable operation of the furnace, in particular under part-load conditions,
- By eliminating the air nozzles deflected towards the combustion chamber walls with appropriate measuring and control devices, the fuel dust burner can be made simpler, more compact and therefore more cost-effective,
- - The effort for conversions from conventional tangential furnaces to low-NO x furnaces is significantly lower when using the radial fuel gradation according to the invention than when using the radial air gradation, since additional air nozzles, measuring and control devices can be largely dispensed with, there may only be modifications required on the fuel dust lines or the fuel dust outlet nozzles,
- - The operation of the combustion according to the invention with fuel gradation is easier compared to a combustion with radial air gradation due to the lack of measuring and control devices for additional air nozzles, the operation corresponds to that of conventional tangential combustion.
In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung ist die Zirkularströmung des Sekundärluftstromes innerhalb des Feuerraumes die gleiche wie die des brennstoffreichen und brennstoffarmen Gemischstromes. Hierdurch wird eine gleichmäßige, wirbelfreie Durchmischung der Sekundärluft mit dem Brennstoffgemisch erzielt.In an advantageous embodiment of the invention is the circular flow of the secondary air flow inside the firebox the same as that of the fuel-rich and low-fuel mixture flow. This will make an even, vortex-free Mixing of the secondary air achieved with the fuel mixture.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei mehreren vorhandenen Horizontalebenen die tangentiale Ausrichtung des brennstoffreichen und des brennstoffarmen Gemischstromes auf einen gedachten ersten und/oder zweiten Kreis mit jeweils gleichen Dimensionen ist. Oder mit anderen Worten ausgedrückt, dass die imaginären ersten und/oder zweiten Kreise, auf die die Gemischströme sowie die Sekundärluft tangential gerichtet sind, in sämtlichen Horizontalebenen die gleichen Ausmaße aufweisen. Durch diese Maßnahme wird eine gleichförmige Verbrennung erzielt und sämtliche Brenner konstruktiv vereinfacht.An advantageous embodiment of the Invention provides that if there are several horizontal planes the tangential alignment of the fuel-rich and the fuel-poor Mixture flow on an imaginary first and / or second circuit with the same dimensions. In other words, that the imaginary first and / or second circles to which the mixture flows as well the secondary air are directed tangentially in all Horizontal planes have the same dimensions. This measure will a uniform Burns achieved and all Burner simplified in design.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, die Staubbrennerdüsen zum Einblasen des brennstoffreichen sowie -armen Gemischstromes in horizontaler Richtung nebeneinander anzuordnen. Damit kann die konstruktive Gestaltung der beiden Staubbrennerdüsen einfach gelöst werden und gleichzeitig die Gemischströme in gewünschter Weise in den Feuerraum eingetragen werden.Another advantageous training The invention provides the dust burner nozzles for blowing in the fuel-rich and low-mixture flow in the horizontal direction side by side to arrange. This makes the design of the two dust burner nozzles simple be solved and at the same time the mixture flows in desired Way into the firebox.
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung und der Beschreibung näher erläutert.Below are exemplary embodiments the invention with reference to the drawing and the description explained in more detail.
Es zeigt:It shows:
Der dargestellte Feuerraum
Erfindungsgemäß wird das Brennstoff-Luft-Gemisch
(bei der Luft handelt es sich um Primär- bzw. Tragluft), das durch Staubleitungen
Erfindungsgemäß wird der brennstoffreiche Gemischstrom
Die jeweilige zu dem Brennstoff-Luft-Gemisch
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird
erreicht, dass in der Mitte
Bei mehreren Horizontalebenen – ausgehend
von wenigstens einer angewandten Ebene – innerhalb des Feuerraumes
Um die Verbrennung des staubförmigen Brennstoffes
in axialer Richtung des Feuerraumes
Bei der für die Aufteilung und Trennung
des Brennstoff-Luft-Gemisches in einen brennstoffreichen
- 11
- Dampferzeugersteam generator
- 22
- Feuerraumfirebox
- 33
- HorizontalebeneWL
- 44
- FeuerraumwandFurnace wall
- 55
- FeuerraumeckeFirebox corner
- 66
- BrennstoffstaubbrennerFuel coal burner
- 77
- Vorrichtung zur Brennstoffstaubtrennungcontraption for fuel dust separation
- 88th
- Brennstoffreiches Gemischfuel Empire mixture
- 99
- Brennstoffarmes Gemischfuel arm mixture
- 1010
- StaubbrennerdüseStaubbrennerdüse
- 1111
- StaubbrennerdüseStaubbrennerdüse
- 1212
- FeuerraumzentrumFirebox center
- 1313
- Erster bzw. feuerungszentrumsnaher Kreisfirst or circle near the combustion center
- 1414
- Zweiter Kreissecond circle
- 1515
- Sekundärluftsecondary air
- 1616
- Sekundärluftdüsesecondary air
- 16a16a
- SekundäroberluftdüseSekundäroberluftdüse
- 16b16b
- SekundärunterluftdüseSekundärunterluftdüse
- 1717
- Luftair
- 1818
- Luftdüseair nozzle
- 1919
- FeuerraumtrichterFirebox funnel
- 2020
- Rauchgaszugflue
- 2121
- Staubleitungdust line
- 2222
- Unterstöchiometrischer Bereichstoichiometric Area
- 2323
- Überstöchiometrischer Bereichsuperstoichiometric Area
- 2424
- Zirkularströmungcircular flow
- 2525
- RauchgasströmungsrichtungFlue gas flow direction
- 2626
- Kohlenmahlanlagecoal mill
- 2727
- SekundärluftleitungSecondary air line
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