DE19511609C1 - Solid-fuel combustion system in boiler - Google Patents
Solid-fuel combustion system in boilerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbrennung von Feststoffen in einem Verbrennungskessel 1, der zumindest einen Feuerraum 2 und eine Nachbrennkammer 4 umfaßt, wobei in den Verbrennungskessel 1 Luft nach dem Austritt der Verbrennungsgase aus dem Feuerraum 2 unter erhöhtem Druck einge düst wird.The invention relates to a method and an apparatus for the combustion of solids in a combustion boiler 1 , which comprises at least one combustion chamber 2 and an afterburning chamber 4 , air being injected into the combustion boiler 1 after the combustion gases have escaped from the combustion chamber 2 under increased pressure.
Aus der WO 93 07 422 ist bekannt, zur Verbrennung von Feststof fen Wasserdampf unter erhöhtem Druck einzudüsen. Dabei wird neben der Primärluft keine weitere Verbrennungsluft wie z. B. Sekundär- und/oder Tertiärluft in den Verbrennungskessel einge bracht.From WO 93 07 422 is known for the combustion of solids fen inject steam under increased pressure. Doing so in addition to the primary air no further combustion air such. B. Secondary and / or tertiary air in the combustion boiler brings.
Für die Erzeugung von Dampf ist neben der notwendigen Energie vollentsalztes Wasser erforderlich. Bei der oben genannten WO- Anmeldung wird Dampf in die Rauchgase eingedüst und mit den Ab gasen abgeleitet. Es geht somit vollentsalztes Wasser verloren. Die entsprechenden Mengen müssen in einer Wasseraufbereitungs anlage mit erheblichen Kosten neu erzeugt werden. Hierbei werden Chemikalien eingesetzt, die die Umwelt zusätzlich belasten.For the generation of steam is in addition to the necessary energy demineralized water required. In the above-mentioned WO Steam is injected into the flue gases and registered with the Ab gases derived. Demineralized water is therefore lost. The corresponding amounts must be in a water treatment plant plant can be generated with considerable costs. Here are Chemicals are used that additionally pollute the environment.
Aus der DE-PS 6 28 089 und der DE 42 06 825 A1 ist es ferner bekannt, Luft und rezirkulierte Rauchgase mit hoher Geschwindigkeit in den Verbrennungskessel an einer Stelle zwischen den Feuerraum und einer Nachbrennkammer einzublasen.From DE-PS 6 28 089 and DE 42 06 825 A1 it is also known to have air and recirculated flue gases high speed in the combustion boiler at one Blow in between the firebox and an afterburner.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gute Durchmischung der Brenngase zu erzielen. The object of the present invention is to achieve a good mixing of the fuel gases.
Es hat sich gezeigt, daß durch das Erhitzen der Druckluft vor
der Eindüsung höhere absolute Geschwindigkeiten in den Lavaldü
sen erzeugt werden können und damit die spezifische Energie des
Treibmediums ohne zusätzlichen elektrischen Energieaufwand bei
geringfügig höheren Investitionskosten für einen Wärmetauscher
im Verdichter gesteigert werden kann. Dies sei mit der nachfol
genden Berechnung verdeutlicht:
Es werden 1500 kg/h Druckluft mit einem Druck von 7 bar absolut
bei einer Temperatur von 293 K entspannt. Dabei wird eine Misch
energie von ca. 52 KW frei. Durch Aufwärmung der gleichen Luft
menge auf 523 K kann bei der Entspannung eine Mischleistung von
ca. 92 KW erreicht werden! Die Austrittsgeschwindigkeit des
Treibmediums Luft steigt dadurch von 500 auf 670 m/s.It has been shown that higher absolute velocities can be generated in the Lavaldü sen by heating the compressed air before injection and thus the specific energy of the propellant can be increased without additional electrical energy expenditure at slightly higher investment costs for a heat exchanger in the compressor. This is illustrated by the following calculation:
1500 kg / h of compressed air are relieved at a pressure of 7 bar absolute at a temperature of 293 K. A mixed energy of approx. 52 KW is released. By heating the same amount of air to 523 K, a mixing output of approx. 92 KW can be achieved! As a result, the speed of discharge of the propellant air increases from 500 to 670 m / s.
Die im Kessel vorliegenden Bedingungen sind durch eine hohe Gastemperatur der Brenngase von 1273 K bei einer geringen Dichte und durch eine hohe Viskosität der Gase gekennzeichnet. Durch die erhöhte Viskosität sind die Verluste direkt nach der Laval düse infolge der verringerten Carnots Stoßverluste wesentlich geringer als dies bei Normalbedingungen zu erwarten wäre. Infol ge der geringeren Stoßverluste treten die Freistrahlen sehr tief in den zu durchmischenden Bereich ein und sichern eine gute Durchmischung der Feuerungsgase auch über größere Distanzen von 4-6 m.The conditions in the boiler are high Gas temperature of the combustion gases of 1273 K at a low density and characterized by a high viscosity of the gases. By the increased viscosity are the losses immediately after the Laval nozzle due to the reduced Carnots impact losses less than would be expected under normal conditions. Info Due to the lower impact losses, the free jets are very deep into the area to be mixed and ensure a good one Mixing of the combustion gases also over longer distances from 4-6 m.
Da die über Lavaldüsen 13, 14 und 15 zugeführte Druckluftmenge bezogen auf die Primärluftmenge 9 unter 2% liegt und praktisch vernachlässigt werden kann, steigt die Sauerstoffkonzentration im Freistrahl nicht mehr an, so daß erfindungsgemäß keine zu sätzliche Bildung von NOx resultiert. Dies ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbrennung von Feststoffen.Since the amount of compressed air supplied via Laval nozzles 13 , 14 and 15 is less than 2% based on the primary air amount 9 and can be neglected in practice, the oxygen concentration in the free jet no longer increases, so that according to the invention there is no additional formation of NO x . This is a further advantage of the method for the combustion of solids according to the invention.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbei spielen näher erläutert. Es zeigen: In the following the invention is based on two embodiments play explained in more detail. Show it:
Fig. 1 Prinzipieller Querschnitt durch eine Feuerungsanlage, Fig. 1 Schematic cross-section through a combustion plant,
Fig. 2 Ausschnitt 1 gemäß Fig. 1 in Höhe der Lavaldüsen. Fig. 2 section 1 of FIG. 1 at the height of the Laval nozzles.
Die linke Hälfte der Fig. 1 zeigt den Querschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Verbrennungskessel. In den Berei chen 10 und 11 wird Druckluft über die Zuführung 12 zu den erfindungsgemäß ausgestalteten Lavaldüsen 13 und 14 in den Über gang zum Nachverbrennungsraum 4 eingedüst.The left half of FIG. 1 shows the cross section through a combustion boiler designed according to the invention. In areas 10 and 11 , compressed air is injected via the supply 12 to the Laval nozzles 13 and 14 designed according to the invention into the transition to the afterburning chamber 4 .
Fig. 2 zeigt die Entwicklung des Freistrahls F₁ und F₂ von den Lavaldüsen 13 und 14 im Übergang von dem Feuerraum 2 zur Nach brennkammer 4. Die Darstellung ist gültig für Druckluft, die vor der Entspannung durch Lavaldüsen auf 523 K erwärmt wurde. Die mittlere Geschwindigkeit der Brenngase am Rost 9 beträgt in diesem Beispiel 3 m/s bei einer Temperatur von 1273 K. Fig. 2 shows the development of the free jet F₁ and F₂ from the Laval nozzles 13 and 14 in the transition from the combustion chamber 2 to after combustion chamber 4th The illustration applies to compressed air that was heated to 523 K by Laval nozzles prior to expansion. In this example, the average velocity of the fuel gases at grate 9 is 3 m / s at a temperature of 1273 K.
Die Diagramme der Fig. 3 zeigen den Einfluß verschiedener Para meter im Freistrahl über den Weg des Freistahls. Die Ausgangs bedingungen wurden so gewählt, daß in allen Fällen nach 5 Meter Freistrahl eine mittlere Geschwindigkeit von ca. 5,2 m/s in diesem Beispiel vorliegt.The diagrams of Fig. 3 show the influence of various parameters in the free jet over the path of the free steel. The starting conditions were chosen so that in all cases after 5 meters of free jet an average speed of about 5.2 m / s is present in this example.
Fig. 3a zeigt die Entwicklung der Massenverhältnisse von Treib masse zu angesaugtem Rauchgas über den Weg des Freistrahls. Hierdurch wird deutlich, daß das Massenverhältnis bei Temperatu ren über 473 K erheblich ansteigt. Fig. 3a shows the development of the mass ratios of propellant to sucked flue gas on the way of the free jet. This makes it clear that the mass ratio at Temperatu ren over 473 K increases significantly.
Fig. 3b zeigt die Entwicklung der mittleren Gastemperatur des Freistrahls über den Weg des Freistrahls. Man erkennt, daß auch hier bei einer Drucklufttemperatur um 473 K die Mischtemperatur im Freistrahl bereits nach sehr kurzem Weg gleich der Feuerungs temperatur ist. FIG. 3b shows the evolution of the mean gas temperature of the free beam across the path of the free jet. It can be seen that even at a compressed air temperature of 473 K, the mixing temperature in the free jet is the same as the firing temperature after a very short distance.
Fig. 3c zeigt die Entwicklung der mittleren Freistrahlgeschwin digkeit über den Weg des Freistrahls. Alle Treibmedien führen in einer Entfernung von 5 m vom Düsenausgang zu einer mittleren Geschwindigkeit von ca. 5,2 m/s. Fig. 3c shows the development of the mean Freistrahlgeschwin speed on the way of the free jet. All driving media lead to an average speed of approx. 5.2 m / s at a distance of 5 m from the nozzle outlet.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit der erfindungsgemä ßen Vorrichtung können die beschriebenen Verbrennungsprozesse sehr variabel und beispielsweise dicht bei dem stöchiometrischen Luftbedarf betrieben werden. Je nach den Vorschriften lassen sich beliebige Luftmengen in den Verbrennungsprozeß eindüsen. Falls verlangt, kann mit überstöchiometrischen Verhältnis ge fahren werden, z. B. mit einem Stöchiometriefaktor von 1,4; dies bedeutet, daß mit 40% Luftüberschuß verbrannt wird. Es sind auch Stöchiometriefaktoren von kleiner 1,4 bis zu 1,1 ein stellbar.According to the inventive method and with the ß device can the described combustion processes very variable and, for example, close to the stoichiometric Air requirements are operated. Leave according to the regulations any amount of air injected into the combustion process. If required, ge with a stoichiometric ratio will drive, e.g. B. with a stoichiometric factor of 1.4; this means that 40% excess air is burned. It are also stoichiometric factors from less than 1.4 up to 1.1 adjustable.
In Folge dieser annähernd stöchiometrischen Verbrennung steigen die Verbrennungstemperaturen erheblich an und es besteht die Gefahr zusätzlicher NOx Bildung. Die hohen Temperaturen können auch zu unerwünschtem Schmelzfluß im Feuerraum führen. Durch die Rauchgasrückführung mittels der Treibdüsen 15 im Rückführkanal 19 kann die Verbrennungstemperatur auf den gewünschten Wert ein gestellt werden.As a result of this almost stoichiometric combustion, the combustion temperatures rise considerably and there is a risk of additional NO x formation. The high temperatures can also lead to undesirable melt flow in the combustion chamber. Through the flue gas recirculation by means of the driving nozzles 15 in the return duct 19 , the combustion temperature can be set to the desired value.
Mit einer intensiven Vermischung der Rauchgasbestandteile wird ein guter Ausbrand der Rauchgase sichergestellt. Dieser zeigt sich durch CO Konzentrationen von unter 10 mg/Nm bei Sauerstoff gehalten von ca. 6%. Die NOx Konzentrationen fallen von 350-400 mg/Nm³ auf ca. 200-250 mg/Nm³ ab. With a thorough mixing of the flue gas components, a good burnout of the flue gases is ensured. This is shown by CO concentrations below 10 mg / Nm with oxygen maintained at approx. 6%. The NO x concentrations drop from 350-400 mg / Nm³ to approx. 200-250 mg / Nm³.
Durch die Reduzierung des Sauerstoffgehaltes fiel die Rauchgas menge entsprechend der eingangs genannten Anmeldung ab. Durch Absenkung der Luftzahl von 2,2 auf 1,5 - entsprechend einem Sauerstoffpartialdruck von 0,103 bar und 0.06 bar - fiel die Rauchgasmenge von 95 000 Nm³/h auf 55 000 Nm³/h um 42% ab. Die Verbrennungstemperatur stieg dabei von 1200 K auf 1460 K um 260 K an.By reducing the oxygen content, the flue gas fell amount according to the registration mentioned at the beginning. By Reduction of the air ratio from 2.2 to 1.5 - corresponding to one Oxygen partial pressure of 0.103 bar and 0.06 bar - the fell Flue gas volume decreased by 42% from 95,000 Nm³ / h to 55,000 Nm³ / h. The The combustion temperature rose from 1200 K to 1460 K by 260 K. at.
Der Verbrennungskessel und die nachgeschaltete Rauchgasreinigung kann bei Neuanlagen entsprechend der reduzierten Rauchgasmenge kleiner ausgelegt werden. Bei Nachrüstungen gehen die Betriebs kosten durch geringe Pressung der Saugzüge und geringere Volu menströme überproportional zur Rauchgasmenge zurück.The combustion boiler and the downstream flue gas cleaning can with new systems according to the reduced amount of flue gas can be designed smaller. In the case of retrofits, operations go cost due to low pressure of the suction trains and lower volume flows back disproportionately to the amount of flue gas.
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