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Kesselanlage mit regenerativer Vorwärmung der Verbrennungs- und der
Mühlenluft Die Erfindung betrifft Kesselanlagen mit rauchgasbeheiztem umlaufendem
Regenerativ-Luftvorwärmer, der außer zur Vorwärmung der Verbrennungsluft (Zweitluft)
auch zur Vorwärmung der Mühlenluft (Erstluft) dient (deutsche Patentschrift 940
245). Die Aufgabe, von der die Erfindung ausgegangen ist, besteht darin, eine Möglichkeit
zur Regelung der Mühlenlufttemperatur in Abhängigkeit von der Kohlenzusammensetzung
unter Aufrechterhaltung des Gesamtwirkungsgrades der Kesselanlage zu schaffen.
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Es ist bekannt, daß die Zusammensetzung der jeweils benutzten Kohle
bei der Wahl der Temperatur der den Kohlenmühlen zuzuführenden Luft berücksichtigt
werden muß. Insbesondere ist der Feuchtigkeitsanteil der jeweils verwendeten Brennstoffe
für die Wahl der richtigen Temperatur von Bedeutung. Die Mühlenluft, die zum Trocknen
des Brennstoffes dient, gelangt nach Durchströmen der Kohlenmühlen zusammen mit
dem Kohlenstaub in den Sichter. Bei zu hoher Temperatur besteht die Gefahr, daß
der Kohlenstaub sich im Sichter entzündet. Daher ist sehr genau darauf zu achten,
daß die Temperatur der Mühlenluft nach Durchführung des Trocknungsvorganges eine
maximal zulässige Temperaturgrenze nicht überschreitet. Andererseits ist natürlich
auch eine Mindestgrenze zu beachten, damit die Trocknung zuverlässig gewährleistet
ist.
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Zur Anpassung der Mühlenlufttemperatur an den Feuchtigkeitsgehalt
der jeweils benutzten Brennstoffe sind schon zahlreiche Vorschläge gemacht worden.
Wird ein einstufiger umlaufender Regenerativ-Wärmetauscher vorgesehen, der nicht
nur zur Vorwärmung der Mühlenluft (Erstluft) oder eines Teiles davon dient, sondern
zugleich auch zur Vorwärmung der Verbrennungsluft (Zweitluft), so ist es erforderlich,
die etwa notwendig werdende Absenkung der Mühlenlufttemperatur durch im Bypaß geführte
Kaltluft vorzunehmen. Hierdurch ergibt sich eine Verringerung der in den Luftvorwärmer
eintretenden Kaltluftmenge.
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Demgegenüber bietet die Verwendung eines zweistufigen kegenerativ-Luftvorwärmers
(deutschePatentschrift 976167) den Vorteil, daß Mühlenluft wahlweise aus der Zwischenstufe
oder hinter der heißen Stufe des Luftvorwärmers abgezogen werden kann. Durch Mischung
dieser beiden Teilmengen miteinander kann man somit der Mühlenluft jede beliebige
Temperatur geben, die zwischen derjenigen der Zwischenstufe und derjenigen am Ausgang
der heißen Stufe liegt. Soll allerdings eine Temperatur eingestellt werden, die
unter derjenigen der Zwischenstufe liegt, so ist auch hierzu im Bypaß geführte Kaltluft
erforderlich.
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Eine weitere Verbesserung wurde durch einen kombinierten Luftvorwärmer
erzielt, bei dem die Speichermasse durch einen zylindrischen Trennmantel in einen
inneren und einen äußeren Bereich unterteilt ist (deutsche Patentschrift
1113 534). Bei dieser Ausführungsform wird die Verbrennungsluft (Zweitluft)
in dem äußeren Teil der Speichermasse aufgeheizt und die Mühlenluft (Erstluft) in
dem koaxialen inneren Teil. Hierbei ist die Führung von Mühlenkaltluft im Bypaß
entbehrlich. Durch den inneren Teil der Speichermasse wird die gesamte Mühlenluft
hindurchgeleitet. Zur Herabsetzung ihrer Temperatur braucht man nur die durch diesen
Speichermassenteil im Gegenstrom hindurchgeleitete kauchgasteilmenge entsprechend
zu vermindern.
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Die vorgenannte Unterteilung der Speichermasse durch einen zylindrischen
Trennmantel in einen inneren und einen äußeren Bereich ist bereits für einstufige
Regenerativ-Luftvorwärmer bekannt (die eingangs schon genannte deutsche Patentschrift
940 245). Auch bei dieser Ausführungsform ist ein Bypaß für die Mühlenluft entbehrlich.
Die Temperatur der Mühlenluft kann vielmehr dadurch verändert werden, daß man die
durch den inneren Speichermassenring im Gegenstrom hindurchgeleitete Rauchgasteilmenge
verändert.
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Allen vorgenannten Lösungen haftet jedoch der Nachteil an, daß die
Absenkung der Mühlenlufttemperatur einen Anstieg der Abgastemperatur und damit eine
Verschlechterung des Kesselwirkungsgrades zur Folge hat. Demgegenüber ermöglicht
es die Erfindung, die Mühlenlufttemperatur zu regeln, ohne hierdurch den Kesselwirkungsgrad
zu verschlechtern.
Die Erfindung bezieht sich somit auf Kesselanlagen
mit rauchgasbeheiztem Regenerativ-Wärmetauscher, der außer zur Vorwärmung der Verbrennungsluft
auch zur Vorwärmung der Mühlenluft dient. Der Grundgedanke der Erfindung, der sich
auf verschiedenen Wegen verwirklichen läßt, besteht hierbei darin, daß der Regenerativ-Wärmetauscher
auf eine höhere als die geforderte Mühlenlufttemperatur ausgelegt wird. Um trotzdem
die geforderte niedrigere Mühlenlufttemperatur zu erzielen, wird in einen die Mühlenlufttemperatur
mitbestimmenden Rauchgas- bzw. Luftteilstrom ein als Kühler wirkender Rekuperator
eingeschaltet, der durch einen regelbaren Speisewasserteilstrom genügend niedriger
Temperatur beaufschlagt wird. Dieser Rekuperatur stellt also einen Teil des Speisewasservorwärmers
dar, während er andererseits in seiner vorgenannten Eigenschaft als Kühler die zu
hohe Temperatur der Mühlenluft auf den richtigen Wert senkt.
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In welcher Weise die Eigenschaft dieses als Kühler wirkenden Rekuperators
erfolgt, hängt von den im Einzelfall vorliegenden Verhältnissen ab. Handelt es sich
um eine Kesselanlage mit rauchgasbeheiztem umlaufendem Regenerativ-Luftvorwärmer,
dessen Speichermasse in einen zur Vorwärmung der Verbrennungsluft und einen zur
Vorwärmung der Mühlenluft dienenden Teil unterteilt ist, dann ist eine solche Kesselanlage
gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der durch einen regelbaren Speisewasserteilstrom
beaufschlagte Rekuperator-Speisewasservorwärmer in Reihe zu dem Mühlenteil der Luftvorwärmer-Speichermasse
in dem zu diesem führenden Rauchgasteilkanal angeordnet ist. Dafür die Mühlenluft
in der Regel der innere der beiden koaxialen Speichermassenringe benutzt wird, bedeutet
dieses also, daß der kühlende Rekuperator-Speisewasservorwärmer in dem zu diesem
inneren Ring führenden Rauchgasteilkanal liegt.
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Eine andere Lösung ist so beschaffen, daß sie eine Unterteilung der
Speichermasse in zwei koaxiale Ringe nicht voraussetzt. Diese andere Lösung kann
bei jeder Kesselanlage mit rauchgasbeheiztem umlaufendem Regenerativ-Luftvorwärmer
angewendet werden, von dessen heißer Seite außer dem die Verbrennungsluft zur Feuerung
leitenden Kanal ein zweiter Kanal abgeht, der einen Teilstrom der erwärmten Luft
zu den Kohlenmühlen führt. Das wesentliche Merkmal einer solchen Kesselanlage, die
von der zweiten Form der Verwirklichung des Grundgedankens der Erfindung Gebrauch
macht, besteht darin, daß der durch den regelbaren Speisewasserteilstrom beaufschlagte
Rekuperator-Speisewasservorwärmer in den Mühlenluftkanal eingeschaltet ist.
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Bei beiden Formen der Verwirklichung des Erfindungsgedankens ist die
Möglichkeit gegeben, durch Regelung des den Rekuperator durchströmenden Speisewasserteilstromes
die Temperatur der Mühlenluft zu beeinflussen, nämlich durch Wärmeentzug in dem
jeweils erforderlichen Maße zu senken. Die für den genannten Zweck benötigte geringe
Teilmenge des Speisewassers wird dem Speisewasservorwärmer hinter einer seiner mittleren
Regenerativ-Vorwärmerstufen an einer Stelle entnommen, an der die Temperatur des
Speisewassers noch genügend niedrig ist, um einen Wärmeentzug zu bewirken.
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In der Zeichnung sind die beiden Möglichkeiten an Hand je eines Ausführungsbeispieles
veranschaulicht. In beiden Fällen ist- für den Regenerativ-Luftvorwärmer diejenige
Ausführungsform gewählt, bei der der Speicherkörper einen besonderen Teil für die
Vorwärmung der Mühlsnluft aufweist, nämlich den inneren koaxialen Teil, der durch
einen zylindrischen Trennmantel gegenüber dem äußeren koaxialen Ring abgegrenzt
ist. Diese Unterteilung ist für das zweite Ausführungsbeispiel nicht erforderlich,
denn bei diesem kommt es nur auf die in jedem Fall notwendigen gesondert abgehenden
Kanäle für die Verbrennungsluft und für die Mühlenluft an.
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F i g. 1 zeigt eine Kesselanlage, bei der der Rekuperator-Wärmetauscher
entsprechend der zuerst benannten Verwirklichung des Erfindungsgedankens in den
zum Mühlenteil des Regenerativ-Wärmetauschers führenden Rauchgasteilkanal eingeschaltet
ist.
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F i g. 2 veranschaulicht die andere Lösungsform, bei der der Rekuperator-Wärmetauscher
in dem von dem Regenerativ-Wärmetauscher abgehenden Mühlenluftkanal liegt.
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Bei der Kesselanlage gemäß F i g. 1 liegt der genannte, zusätzlich
vorgesehene Rekuperativ-Wärmetauscher 1 im Rauchgasstrom zwischen dem im Kessel
angeordneten, durch die heißen Rauchgase beaufschlagten, in der Regel aus mehreren
Stufen bestehenden Teil t des Speisewasservorwärmers und dem inneren Teil 3 i der
Speichermasse des Regenerativ-Wärmetauschers. Dieser Teil 31 ist also in
an sich bekannter Weise eigens für die Vorwärmung der Mühlenluft abgeteilt. Der
koaxiale äußere Teil 3 a der Speichermasse dient zur Aufheizung der Verbrennungsluft.
Zu diesem Teil sind besondere Erläuterungen nicht erforderlich.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die von der Feuerung
kommende gesamte Menge R der heißen Rauchgase vor Eintritt in den im Kessel angeordneten
rauchgasbeaufschlagten Teil 2 des Speisewasservorwärmers in einen letzteren durchströmenden
Hauptstrom R 2 und einen zur Erwärmung der Mühlenluft dienenden Zweigstrom R
1
unterteilt. Hinter der Stufe 2 des Speisewasservorwärmers wird von dem Hauptrauchgasstrom
R 2 nochmals ein Teilstrom R 3 abgezweigt, der sich mit dem erstgenannten Teilstrom
R 1 vereinigt, während der verbleibende Hauptteil R 4 des Rauchgasstromes dem äußeren
Speichermassenkranz 3 a des Regenerativ-Luftvorwärmers zur Aufheizung der Verbrennungsluft
zugeführt wird.
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Der für den Mühlenteil bestimmte Rauchgasstrom R 1 -I- R 3 wird alsdann
durch den Rekuperator 1
hindurchgeleitet, wo ihm durch den Speisewasserteilstrom
ein Teil der Wärme entzogen werden kann, und zwar wahlweise genau einregelbar, so
daß ein überschreiten der gefährlichen Höchsttemperatur mit Sicherheit unterbunden
werden kann.
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Das Speisewasser wird nach Verlassen des Kondensators 4 mittels einer
Pumpe 5 durch die Vorwärmer 6 und 7 geleitet, in denen es in bekannter Weise regenerativ
mittels Anzapfdampf vorgewärmt wird, um dem Speisewasserbehälter 8 zugeleitet zu
werden. Mittels einer Pumpe 9 wird das Speisewasser alsdann aus dem genannten Behälter
8 durch die anschließenden Wärmetauscher 10,11 und 12 gefördert, in denen ebenfalls
regenerativ mittels Anzapfdampf die weitere Aufheizung stattfindet. Schließlich
durchströmt das Speisewasser noch den schon erwähnten letzten Teil 2 des Speisewasservorwärmers.
Dieser Teil befindet sich im Kessel und ist den von der Feuerung kommenden heißen
Rauchgasen unmittelbar ausgesetzt. In diesem
Teil 2, der in der
Regel ebenfalls aus mehreren Stufen besteht, erfolgt die abschließende Aufheizung
des Speisewassers auf die benötigte Temperatur.
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Der für den Rekuperator 1 benötigte Teilstrom des Speisewassers wird
hinter der Vorwärmerstufe 10 abgezweigt. Nach Durchfließen des Rekuperators, durch
den andererseits der abzukühlende Rauchgasstrom R 1 '-, R 3 hindurchgeht, wird der
genannte Teilstrom Sp 1 des Speisewassers hinter der Vorwärmerstufe 11 wieder
in den diese Stufe verlassenden Strom zurückgeführt und mit diesem zu dem vollen
Speisewasserstrom Sp 2 vereinigt. Wenn aber der zurückzuführende Teilstrom Sp
1 durch die im Rekuperator erfolgte Aufheizung die gleiche Temperatur erreicht
hat, wie sie das Speisewasser hinter der Stufe 12, also vor Eintritt in die Endstufe
2 besitzt, so kann die Zurückführung auch hinter der genannten Stufe 12 erfolgen,
und zwar mittels der aus der Darstellung ersichtlichen, ein Ventil V enthaltenden
direkten Leitung. Die Entnahme des Teilstromes muß in jedem Fall an einer Stelle
erfolgen, an der die Temperatur des Speisewassers noch genügend niedrig liegt, um
dem Rekuperator 1 einen ausreichenden Wärmeentzug zu ermöglichen.
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Für die Einstellung der günstigsten Verhältnisse sind hier also verschiedene
Regelorgane vorgesehen. So kann der Rauchgasstrom R 1 mittels einer Klappe I, der
Rauchgasstrom R 3 mittels einer Klappe II und der Rauchgasstrom R 4 mittels einer
Klappe III geregelt werden. Soll die Temperatur der Mühlenl.uft erhöht werden, so
wird die Klappe II weitgehend oder ganz geschlossen, während die Klappe I geöffnet
ist, so daß in entsprechend starkem Maße der Rauchgasstrom R 1 hoher Temperatur
zur Einwirkung kommt. Zum Absenken der Temperatur der Mühlenluft wird die Klappe
I weitgehend oder ganz geschlossen und die Klappe II geöffnet.
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Im Speisewasserkreis erfolgt die Regelung mittels der Ventile IV und
V. Durch Drosseln dieser beiden Ventile wird der Wärmeabzug verringert. Zur Absenkung
der Mühlenlufttemperatur wird dementsprechend umgekehrt verfahren.
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So bestehen also bei der dargestellten Anlage mehrere Möglichkeiten
zur Einregelung der benötigten Mühlenlufttemperaturen, nämlich sowohl rauchgasseitig
als auch - vorzugsweise - mit Hilfe des Rekuperators 1 speisewasserseitig. Bei diesem
Regeln der Mühlenlufttemperatur ist anzustreben, daß das Verhältnis der Wasserwerte
von Luft und Rauchgas zueinander im Mühlenteil des Regenerativ-Luftvorwärmers etwa
ebenso groß ist wie das. Verhältnis der Wasserwerte im Hauptteil, der zur Aufheizung
der Verbrennungsluft dient.
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Bei der Anlage gemäß F i g. 2 sind die Elemente die gleichen wie gemäß
F i g. 1, und sie sind dementsprechend auch mit den gleichen Kennziffern und -buchstaben
bezeichnet. Der Unterschied besteht darin, daß bei der Anlage gemäß F i g. 2 der
in Reihe zu dem Regenerativ-Wärmetauscher liegende Rekuperator 1 in den zur Erwärmung
der Mühlenluft dienende Teilkanal nicht auf der Rauchgasseite, sondern auf der Luftseite
eingeschaltet ist. Abgesehen hiervon aber sind rauchgasseitig die Aufteilung des
Hauptstromes R in die Teilströme R 1 und R 2, weiterhin die Unterteilung des letzteren
hinter der Stufe 2 in die beiden Ströme R 3 und R 4 sowie die Regelung mittels der
Klappen I, II und III genau übereinstimmend. Rauchgasseitig sind also genau die
gleichen Regelmöglichkeiten gegeben. Auch der Strömungsverlauf auf der Speisewasserseite
ist der gleiche. Der Unterschied besteht im wesentlichen darin, daß gemäß F i g.
1 der Rekuperator 1 den Rauchgasteilstrom beeinflußt, der zum Aufheizen des inneren
Speichermassenteils 3 i dient und hierdurch auf die Mühlenluft mittelbar einwirkt,
während gemäß F i g. 2 der luftseitig eingeschaltete Rekuperator 1 dem Mühlenluftstrom
die Wärme unmittelbar entzieht.
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Es ist ersichtlich, daß bei Anordnung des Rekuperators 1 gemäß F i
g. 2 auf der Luftseite eine Unterteilung der Speichermasse des Regenerativ-Wärmetauschers
in gesonderte Teile für die Erst- und die Zweitluft nicht erforderlich ist. Es ist
also nicht notwendig, einen Regenerativ-Luftvorwärmer zu verwenden, der gemäß den
gewählten Ausführungsbeispielen koaxial unterteilt ist oder in an sich ebenfalls
bekannter Weise (deutsche Patentschrift 976167) zwei oder mehr aufeinanderfolgende
Heizflächenstufen aufweist, deren Trennzonen zur Entnahme von Luft mittlerer Temperatur
geeignet sind. Es können vielmehr Regenerativ-Wärmetauscher Verwendung finden, deren
Speichermassenkörper eine nicht unterteilte Einheit darstellt. Der zu den Kohlenmühlen
führende Kanal kann von dem auf der heißen Seite des Regenerativ-Wärmetauschers
abgehenden Luftkanal an beliebiger Stelle - unmittelbar hinter dem Wärmetauscher
oder auch später - abgezweigt werden, und in diesen Mühlenluftkanal wird der Rekuperator
1 eingeschaltet.
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Weiterhin ist auf Grund der Erläuterungen zu F i g. 1 ergänzend zur
Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 2 nichts von Bedeutung nachzutragen,
denn im übrigen liegen die Verhältnisse dort entsprechend.
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Gemeinsam ist allen erfindungsgemäßen Anlagen, daß der zusätzliche
Rekuperator 1 es gestattet, die Mühlenlufttemperatur herabzuregeln, ohne daß dabei
die Abgastemperatur ansteigt, was mit einer schlechteren Ausnutzung der Rauchgaswärme
und dementsprechend mit einem schlechteren Wirkungsgrad der Anlage gleichbedeutend
ist. Es kann also stets die günstigste Abgastemperatur, unabhängig von der jeweiligen
Temperatur der Mühlenluft, eingehalten werden.
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Die Anwendung des Erfindungsgedankens schließt es natürlich nicht
aus, daß zusätzlich doch auch Bypaßkanäle zur Beeinflussung der Mühlenlufttemperatur
benutzt werden. Da sich hierdurch aber, wie eingangs dargelegt, eine Verschlechterung
des Gesamtwirkungsgrades ergibt, wird man von dieser Möglichkeit nur in geringem
Maße Gebrauch machen.