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Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben von Feuerungen mit backendem
Kohlenstaub Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von backender Kohle
in Staubform in Dampfkesselfeuerungen, insbesondere in Feuerungen mit Abzug der
Schlacke in flüssiger Form. Sie erstreckt sich aber auch auf Industrieöfen, welche
mit Kohlenstaubbrennern betrieben werden.
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Bei einem Dampfkessel mit Schmelzfeuerung bestimmen die Feuerraumbelastung
und die Feuerraumtemperatur den Schmelzbetrieb. Die verwendeten Brennstoffe zeigen
hinsichtlich ihres Schmelzverhaltens unterschiedliche Eigenschaften. In ein und
demselben Feuerraum kann bei der Verbrennung des einen Brennstoffes ein guter Schmelzfluß
erreicht werden, während beim Einsatz eines anderen Brennstoffes der Schmelzfluß
einfriert. Die Verbrennung von Brennstoffen mit hohen Aschengehalten und hohen Schlackenschmelztemperaturen
hat zur Entwicklung der verschiedensten Feuerraumformen in Schmelzkesseln geführt,
die noch nicht abgeschlossen ist. Ziel dieser Entwicklung ist es, dem Brennstoffkorn
in einem möglichst kleinen Feuerraum einen möglichst langen Weg aufzuzwingen, um
der brennbaren Substanz bei hoher Feuerraumtemperatur genügend Zeit zum Ausbrennen
zu geben. Die Verbrennung läuft um so schneller ab, je höher die Temperatur der
in den Feuerraum eintretenden Stoffe, Kohle und Luft, ist. Zur Vorwärmung dieser
beiden Bestandteile sind zahlreiche Vorschläge gemacht worden, z. B. die hohe Erhitzung
von Luft in einem getrennt von dem Dampfkessel angeordneten Lufterhitzer und Vorwärmung
der Kohle z. B. durch rückgesaugte heiße Gase. In der Praxis hat sich jedoch lediglich
die Vorwärmung der Verbrennungsluft durch Rauchgase im Dampfkessel selbst durchgesetzt,
wobei allerdings zur Zeit die Vorwärmtemperaturen wegen der erforderlichen Rohrmaterialien
auf eine Temperatur von etwa 450° C beschränkt geblieben sind. Im allgemeinen wird
der Brennstoff mit einer Primärluftmenge von etwa 15 bis 25 % der Gesamtluftmenge
zum Brenner gefördert. Das Kohle-Luft-Verhältnis in diesen Brennstoffzuführungsleitungen
hat dabei etwa einen Wert von etwa 1 kg Kohle je 1 Nm3 Luft, die Eintrittstemperaturen
des Brennstoffes liegen bei etwa 100 bis 200° C. Die Förderzeit von der Zuteilung
bis zum Brenner beträgt Sekunden oder Bruchteile davon.
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Bei den Bemühungen, dem Brennstoff einen möglichst langen Aufenthalt
im Feuerraum zu ermöglichen, hat man die Eigenschaften der eigentlichen brennbaren
Substanz bisher aber nur wenig beachtet. Diese Substanz ist es aber, die die Feuerraumgestaltung,
die Temperatur und damit den Schmelzfluß mitbestimmt. Das hier vorgeschlagene Verfahren
zeigt einen Weg, die erforderliche Verbrennungszeit erheblich zu verkürzen, wodurch
kürzere Aufenthaltszeiten des Brennstoffes im Feuerraum, kleinere Feuerräume und
dadurch höhere Feuerraumbelastungen ermöglicht werden.
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Versuche haben gezeigt, daß die Brennstoffe, die in einer Schmelzfeuerung
schwierig zu verarbeiten sind, in der Regel stark backende Brennstoffe sind. So
wurde bei einem Versuch in einem Schmelzkessel, der mit normaler Betriebskohle A
einen guten Schmelzfluß zeigte, stärker backende Versuchskohle B eingesetzt. Dabei
sammelte sich am Kesselboden eine erhebliche Koksmenge an, die Temperatur fiel ab,
und der Versuch mußte schließlich wegen des eingefrorenen Schmelzflusses unterbrochen
werden.
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Diese Versuche waren aber auch unter anderem eine erneute Bestätigung
dafür, daß die Verteilung des Brennstoffes am Eintritt in den Feuerraum eine bedeutende
Rolle spielt. Die Verteilung Brennstoff-Luft ist auch heute noch nicht immer so
gewährleistet, daß Luft und Brennstoff im richtigen Verhältnis über die Brennermündung
verteilt sind. Es kann z. B. geschehen, daß nur in der Brennermitte der Brennstoff,
die Luft dagegen zum größten Teil am Brennerrand den Brenner verläßt. Bei der dann
im Feuerraum erfolgenden, sehr schnellen Erhitzung des Brennstoffes muß die Luft
einen längeren Weg zum Kohlenkorn zurücklegen, als wenn die Kohle-Luft-Verteilung
am Brenneraustritt über den ganzen Querschnitt gleichmäßig gewesen wäre. Auch dieses
Problem ist Gegenstand zahlreicher Entwicklungsarbeiten gewesen, eine endgültige
Lösung ist bis heute noch nicht gefunden worden.
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Verkokungsversuche ergaben, daß der Koks der Kohle A schwarz und weich,
der der Kohle B sehr hart und graphitisch war. Koks kann sich in dieser
graphitischen
Form aber nur bilden, wenn die Kohle B unter Luftabschluß oder erheblichem Luftmangel
verkokt wird, wobei sich seine Backfähigkeit entsprechend entwickeln und auswirken
kann. Daraus ist zu schließen, daß der Verkokungsvorgang der Kohle B schneller vor
sich geht als der Verbrennungsvorgang, d. h., der zur Verbrennung der sich anbahnenden
und aufbauenden Koksstruktur erforderliche Sauerstoff kann nicht schnell genug zu
dem Brennstoffkorn transponiert werden. Hat sich aber erst ein solch graphitisches
Kokskorn gebildet, ist eine erheblich längere Zeit zu seiner Verbrennung erforderlich,
als es für ein nichtgraphitiertes Kohle-bzw. Kokskorn notwendig wäre. Ein Ausgleich
könnte nur durch eine entsprechend erhöhte Verbrennungstemperatur erreicht werden.
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Aufgäbe der Erfindung ist es, einen Weg zu finden, durch den bei schlechter
Brennstoffverteilung über einen Brennerquerschnitt, bei dem eine örtlich reduzierende
Atmosphäre erzeugt wird, die Bildung von die Verbrennung störenden Koksarten oder
Koksansammlungen zu vermeiden.
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Nach der Erfindung wird der Brennstoff während der Förderung zu den
Brennern- in Anwesenheit von Luft - die Luftmenge beträgt 30 bis 100 % der zur Verbrennung
erforderlichen Gesamtluftmenge - auf Temperaturen von 350 bis 400° C erhitzt, wobei
der Brennstoff durch die Luft voroxydiert wird, und zwar so weit, daß er seine Backfähigkeit
zumindest oberflächlich verloren hat und bei der nachfolgenden schnellen Erhitzung
- Durchschreiten des plastischenBereiches und nachfolgendeEntgasung-keine Störungen
durch Agglomerieren mit anderen Körnern entstehen.
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Durch die Anlagerung von Sauerstoff, der bis zu einer gewissen Tiefe
in das Kohlekom eindringen kann, werden in der äußeren Schicht .des Kohlekoms die
Bestandteile zersetzt, die - im sogenannten »plastischen Bereich«, d. h. im allgemeinen
zwischen 380 und 450°C, die Backfähigkeit verursachen. Dadurch wird dem Kohlekom
die Möglichkeit genommen, beim Durchschreiten des plastischen Bereiches an .der
Oberfläche zu erweichen und mit anderen Körnern zu agglomerieren.
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Die nach dem oben beschriebenen Verfahren vor--oxydierte Kohle -liefert
nach dem Verkokungsversuch einen dunklen, losen und nicht mehr graphitischen, weichen
Koks. So wurde z. B. festgestellt, daß die Kohle A, wenn sie als Rohkohle verascht
wurde, entsprechend der üblichen Aschebestimmung im Muffelofen, einen »Zeitfaktor«
von 0,9 aufwies, die Kohle B einen solchen von 1,06, d. h. einen um etwa 18 % höheren.
Die voroxydierte Kohlenprobe B hatte einen Zeitfaktor von 0,97, d. h. einen um etwa-
8,5% geringeren als die Rohkohle B und um etwa 7,5% höheren als die Kohle A. Der
Koks der Kohle B hat aber einen Zeitfaktor von 1,46, d. h., die zur Veraschung erforderliche
Zeit war um etwa 62% höher als die der Rohkohle A und um etwa 38% höher als die
der Rohkohle B und um etwa 50% höher als die der voroxydierten Kohle B. Der Koks
aus der voroxydierten Kohle B schließlich hat einen Zeitfaktor von 1,15, d. h. einen
um etwa 7% höheren Zeitbedarf als die Rohkohle B, einen um etwa 13 % höheren Zeitbedarf
als die voroxydierte Kohle B und einen um etwa 28 % höheren' Zeitbedarf als die
Rohkohle A. Der Zeitfaktor hat dabei die Dimension Minute je Gramm Kohlenstoff,
d. h., er stellt den Zeitbedarf im Muffelofen dar, der erforderlich ist, um 1 g
Kohlenstoff zu verbrennen.
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Durch den Voroxydätionsvorgang an der Kohlenoberfi4che kann ,sich
im Feuerrahm kein graphitischer Koks bilden, der Kohlenstoff liegt in seiner amorphen
Form voY. Dadurch verkürzt sich die erforderliche Zeit zur Verbrennung erheblich,
d. h., der Brennweg kann kürzer gehalten und der Feuerraum kleiner gestaltet werden.
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Die Voroxydation ist an sich aus dem Gebiet der Entgasung bekannt
und in eigenen Versuchen weitgehend entwickelt worden. Daß sie aber auch für die
Feuerung von erheblicher Bedeutung ist, ist bisher nicht erkannt worden. Diese Bedeutung
beschränkt sich natürlich nicht nur auf das Dampfkesselgebiet, sondern gilt auch
für alle sonstigen Gebiete, z. B. Industrieöfen, wo schwer verbrennbare Brennstoffe
in möglichst kurzer Zeit verbrannt werden sollen. Der Grad der Voroxydation ist
abhängig von der Belastung (dem Verhältnis Kilogramm Kohle je Kilogramm Luft), der
Verweilzeit und der Voroxydationstemperatur, d. h., um ein gewünschtes Ziel zu erreichen,
muß für eine bestimmte Belastung und Temperatur eine bestimmte Verweilzeit in der
Oxydationszone festgelegt werden.
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Die vorliegende Erfindung gibt also ein Verfahren zum Betreiben von
Feuerungen, insbesondere Dampfkessel-Schmelzfeuerungen, mit backenden Brennstoffen
an. Dabei tritt in die Feuerung keine Rohkohle ein, sondern eine »voroxydierte Kohle«.
Diese kann auch bei schlechter Verteilung im Luftstrom keinen graphitischen und
damit sehr schwer verbrennbaren Koks bzw. Kohlenstoff mehr bilden.
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Die Voroxydation kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden.
Der Anteil der Primärluft an der Gesamtluftmenge soll im allgemeinen zwischen 30
und 1000/0, vornehmlich bei etwa 75% der Gesamtluftmenge liegen. Diese Luft fördert
den Brennstoff von der Zuteilung bzw. von der Mühle zu den Brennern. Die Primärluftmenge
wird, bevor ihr die Kohle zugegeben wird, auf etwa 450°C im Kessel vorgewärmt. Der
Brennstoff nimmt nach der Zugabe der Primärluft sehr rasch die Mischtemperatur von
etwa 370 bis 380° C an und wird von der Primärluft mit dieser Temperatur in einer
Zeit von etwa 1 bis 2 Sekunden zum Brenner gefördert. Diese Temperatur und Zeit
genügen, den Brennstoff so weit vorzuoxydieren, daß die Backbitumen in der äußeren
Kornschicht zerstört werden. Der Brennstoff, der danach durch die Brenner in den
Feuerraum eintritt, hat eine Temperatur von etwa 370° C, ist also schon erheblich
vorgewärmt. Hat früher schon die Erhöhung der Brennstofftemperatur von etwa 100
auf etwa 200° C wesentliche Verbesserungen in der Verbrennung gebracht, so liegt
es auf der Hand, daß bei einer Brennstoffeintrittstemperatur von etwa 370° C, die
sich als Folge der Voroxydation ergibt, noch eine weitaus schnellere Verbrennung
zu erwarten ist. Da der Zündpunkt des Brennstoffes wesentlich höher liegt, ist bei
dieser Voroxydationstemperatur kein Staubbrand zu befürchten. Es sind im Versuch
mit einer leicht zündenden Gasflammkohle, deren Backfähigkeit bei 2 Sekunden Aufheizzeit
schon mit etwa 365° C oberflächlich beseitigt war, Voroxydationstemperaturen bis
460° C benutzt worden, ohne daß Brände aufgetreten sind. Voraussetzung dafür ist
eine gleichmäßige Kohlenstaubzuteilung in den Luftstrom.
Hat in
dem vorgenannten Beispiel die voroxydierte Kohle B einen um 7 bis 8 % größeren Zeitfaktor
als die Kohle A, so wird bei der wesentlich höheren Vorwärmung der Kohle B bis zum
Feuerraumeintritt im Feuerraum die Verbrennungsgeschwindigkeit so beschleunigt werden,
daß die Kohle B den gleichen, wenn nicht sogar kürzeren Zeitfaktor erfordert als
die Kohle A. Damit ist die Verfeuerung des Brennstoffes B und die Einschmelzung
der Asche in einem gegebenen Feuerraum möglich, was nach den bisherigen Verhältnissen
nur .durch eine feuerungstechnisch komplizierte Anlage durchführbar gewesen wäre.
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Die Voroxydation des Brennstoffes kann bis zu einem gewissen Grad
auch schon in der Mühle erfolgen, das Mahlen und Trocknen mit Luft ist ja an sich
bekannt. Letzteres wurde durchgeführt, um die Zwischenbunkerung des Kohlenstaubes,
wie sie beim Mahlen und Trocknen mit Rauchgas üblich ist, zu umgehen und den Staub
auf kürzestem Weg direkt von der Mühle zu den Brennern fördern zu können. In den
lotrechten auf- bzw. abwärts führenden Zuleitungen zu den Brennern können Fördergeschwindigkeiten
von etwa 4 bis 8 m/s benutzt werden an Stelle der bisher in diesen Leitungen üblichen
20 m/s, was eine Senkung des Druckverlustes bedeutet.
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Man könnte z. B. das Mahlen mit Lufttrocknen durchführen wie bisher,
nämlich mit einem Erstluftanteil von etwa 25 oh, und die bisherige heiße Zweitluft
hinter der Mühle der Förderleitung zugeben, wodurch der Brennstoff auf Temperaturen
um oder über 300°C gebracht und so in den Kessel eingeblasen würde. Die Förderzeit
von der Mühle oder von der Zwischenbunkerung zu den Brennern kann durch die Rohrlänge
oder den Rohrquerschnitt oder beide gemeinsam eingestellt werden.
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Eine andere Möglichkeit der Voroxydation mit einer geringeren Menge
an Erstluft besteht darin, daß die brennstofführenden Rohre zwischen Zuteiler und
Brenner von außen beheizt werden, wozu Dampf, Kesselrauchgase oder sonstige Verbrennungsgase
verwendet werden können. Die Wärmezufuhr von außen auf ein in einem Rohr strömendes
Medium ist an sich bekannt.
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Man hat aber bisher nicht erkannt, daß durch die Anwendung dieses
Verfahrens auf die brennstofführenden Leitungen zwischen Kohlenzuteilung und Brenner
an einem Dampfkessel bestimmte Vorteile zu erreichen sind. Eine einfache Möglichkeit,
die Rohre von außen zu beheizen, wäre z. B. die an sich bekannte Verlegung der brennstofführenden
Rohre durch einen Rauchgaszug des Kessels und von dort zu den Brennern.
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In allen Fällen muß das Kohlekorn in der Oxydationszone zunächst auf
die erforderliche Temperatur gebracht und dort eine bestimmte Zeit belassen werden.