DE19654732A1 - Großwasserraumkessel mit Abgasrückführung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Großwasserraumkessel mit Abgasrückführung, der bevorzugterweise mit einer Umkehrbrennkammer ausgerüstet ist und bei dem zur Vermin­ derung der Bildung von NOx ein Teil des Rauchgases vom Ende des Kessels in den Feuer­ raum zurückgeführt wird.

Durch die Rückführung von Rauchgas in die Flamme wird bekannterweise die NOx-Bildung vermindert und bekannte Kessel mit Umkehrbrennkammern haben trotz rückkehrender Gase nur eine geringe natürliche, interne Rezirkulation in die Flammenwurzel, weil das Rauchgas am Rand des Kesselflammrohres entlang nach vorn steigender Geschwindigkeit zu den abführenden Rauchrohren strömt. Zwischen dem rückströmenden Rauchgasstrom und der Flammenwurzel bilden sich Wirbel aus, die nur eine geringe Einmischung von zurückkeh­ rendem Rauchgas in das erste Flammendrittel zulassen.

So ist aus der EP-OS 03 48 646 bekannt, die interne Rauchgaszirkulation über eine von Treibstrahlen ausgeübte Injektorwirkung zu verstärken. Als Treibstrahl dient dabei die Verbrennungsluft oder zusätzlich auch der gasförmige Brennstoff. Das Eindüsen von Luft über die Treibdüsen ist mit einer gelenkten Rückführung der Rauchgase durch das Einschieben eines hitzebeständigen Leitschirmes in das Kesselflammrohr und mit einer geometrischen festen Zuordnung des Leitschirmes zu der Kesseltür und den Treibdüsen verbunden.

Die DE-PS 37 38 622 beschreibt eine Lösung, mit der es möglich ist, Rauchgas aus dem Feuerraum durch eine Öffnung in der Kesseltür mit Hilfe des Brennergebläses anzusaugen und zusammen mit der Verbrennungsluft in den Feuerraum einzubringen.

Mit der DE 43 08 731 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung der Bildung von NOx bei der Verbrennung von Brennstoffen in dem Feuerraum eines Kessels bekannt geworden.

Das Verfahren ist dadurch charakterisiert, daß das rückgesaugte Rauchgas über Treibdüsen mit einem besonderen Strahlimpuls von außen in das erste Drittel der in dem Feuerraum erzeugten Flamme eingeblasen wird.

Es wird dann ein Kessel zur Dampf- oder Heißwassererzeugung mit einem Feuerraum und mit einem oder mehreren, zu einem Rauchgassammler geführten Rauchgaszügen beschrieben, bei dem der Feuerraum durch eine Kesseltür verschließbar ist, in der ein oder mehrere Brenner angeordnet sind, welche eine Rezirkulationsleitung besitzen, die an dem Rauchgassammler angeschlossen sind und über ein Gebläse mit einem in der Kesseltür angeordneten Verteiler­ kanal verbunden sind.

Bei den bekannten Verfahren und auch Vorrichtungen bedarf es zur Überwindung der Druckdifferenz zwischen Einströmstelle, der Flamme oder des Brenners, und der Abgaskammer des Einsatzes eines separaten Gebläses, oder es wird die Saugwirkung des Brennergebläses ausgenutzt oder es wird an der Einströmstelle lokal ein hinreichend niedriger Druck erzeugt.

Die Überwindung der Druckdifferenz zwischen Abgaskammer und Einströmstelle erfordert grundsätzlich einen merkbaren Energieaufwand. Verzichtet man auf ein separates Gebläse, ist der rückgeführte Rauchgasvolumenstrom vergleichsweise eingeschränkt, was jedoch die erzielbare NOx-Reduzierung vermindert.

Ein weiteres Betriebsproblem resultiert aus der niedrigen Temperatur des rückgeführten Rauchgases, insbesondere bei Warmwasserkesseln mit niedriger Mediumtemperatur, da beispielsweise bei extremer Teillast, beim Anfahren einer derartigen Kesselanlage, aber auch besonders bei einer durch den Wasserraum geführten Rauchgasrückführung es leicht zur Taupunktüberschreitung kommt, was zu Korrosionserscheinungen in der Rückführleitung führt und im Extremfall auch den Brenner und das Gebläse negativ beeinflußt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Großwasserraumkessel mit Abgas­ rückführung zu entwickeln, mit dem bei der Verbrennung die NOx-Bildung reduziert wird, die Nachteile der bekannten Lösungen beseitigt werden, die rückgeführten Rauchgase mit einer solchen Temperatur zur Einströmstelle geführt werden, die die Korrosionsneigung in den Rauchrohren und sonstigen Einrichtungen verringert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Besondere Ausgestaltungen und vorteilhafte Lösungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die allgemeine Erkenntnis, daß durch die Rückführung von Rauchgas in die Flamme bekannt­ lich die NOx-Bildung vermindert wird und die Wirkung auf unterschiedlichen Effekten beruht, fand in der neuen Lösung Berücksichtigung.

Die Zugabe von kälterem, weitgehend inertem Rauchgas senkt die Flammentemperatur ab und verringert damit die thermische NOx-Bildung. Die gleichzeitige Verminderung des Sauerstoff­ partialdruckes in der Flamme führt außerdem zu einer geringeren Stickstoffoxidation. Die Wirkung der Abgasrückführung wird folglich verstärkt, indem eine relativ große Menge an Rauchgas zurückgeführt wird. Die extreme Ausnutzung dieser Einflußfaktoren wird unter anderem begrenzt durch Flammen- und Zündstabilität, durch die Bildung anderer Schadstoffe sowie durch den baulichen Aufwand und den Betriebsaufwand infolge des zusätzlichen rauch­ gasseitigen Druckverlustes.

Somit ist die erfindungsgemäße Lösung dadurch gekennzeichnet, daß das Rauchgasrückführ­ rohr zwischen einer rauchgasseitig von der Abgaskammer strömungs- und druckseitig getrenn­ ten Rezirkulationswendekammer und der Einströmstelle vorgesehen ist.

Die Rezirkulationswendekammer ist an der Rückseite des Druckkörpers vorgesehen und zu der gleichfalls auf der Rückseite vorgesehenen Abgaskammer allseitig getrennt und so ausge­ führt, daß eine bestimmte Anzahl von Rauchrohren eines Rauchrohrzuges in dieser Rezirku­ lationswendekammer münden.

Es gehört auch zur Erfindung, daß ca. 5 bis 25% der Rauchrohre in der Rezirkulationswende­ kammer münden und derart gestaltet sind, daß sie einen erheblich niedrigeren Druckverlust und Wärmeübergang als die übrigen Rauchrohre, die das Hauptfeld darstellen, aufweisen. Dadurch werden zwei wesentliche Vorteile erreicht:
Die Druckdifferenz zwischen der Einströmstelle und der Rezirkulationswendekammer wird deutlich verringert, was unter den selben Saugbedingungen an der Einströmstelle zum Brenner zu einer Erhöhung des rückgesaugten Rauchgasstromes führt oder zu einer Verringerung der Gebläseleistung im Fall eines separaten Gebläses. Weiterhin führt der verminderte Wärmeübergang in den der Rezirkulationswendekammer zugeordneten Rauchrohren zu einer höheren Temperatur des rückgeführten Rauchgases und damit zu einer geringeren Korrosionsneigung.

Es gehört auch zur Erfindung, daß das Rauchgasrückführrohr beliebig in der Rezirkulations­ wendekammer angeordnet ist und von dort zur Einströmstelle geführt wird.

Die Einströmstelle kann dabei im Bereich des Brennerstutzens in einem Ringspalt oder in einem Düsenring münden oder alternativ als Rohrstutzen ausgebildet sein.

Das Rauchgasrückführrohr kann sowohl aus einem einzelnen als auch aus mehreren parallel angeordneten Rohren bestehen, über die das Rauchgas aus der Rezirkulationswendekammer abgeführt wird.

Mit folgendem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden.

Die dazugehörige Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine Gesamtansicht eines Großwasserraumkessels in schematischer Darstellung

Fig. 2 eine Schnittdarstellung A-A nach Fig. 1.

Ein Großwasserraumkessel mit der Anordnung der erfindungsgemäßen Rezirkulations­ wendekammer 10 ist in einer schematischen Darstellung aus der Fig. 1 zu ersehen. Der Großwasserraumkessel besteht aus einem langgestreckten Druckkörper 1, in dem in hori­ zontaler Lage das als Umkehrbrennkammer ausgebildete Flammrohr 2 und die Rauchrohre 19 des Rauchrohrzuges 3 angeordnet sind. Stirnseitig wird der Großwasserraumkessel durch die Rückwand 14 und den vorderen Boden 15 mit der schwenkbaren Tür 16 verschlossen. Im Bereich der Rückseite des Großwasserraumkessels befindet sich die Abgaskammer 8, welche durch die Rückwand 14 und den hinteren Boden 17 begrenzt wird. Der Abgasstutzen 9 ist gleichfalls in der Rückwand 14 vorgesehen, über welchen die Rauchgase aus der Rauchgas­ kammer 8 austreten können.

Gleichfalls im hinteren Bereich des Großwasserraumkessels ist die erfindungsgemäße Rezirku­ lationswendekammer 10 vorgesehen, welche sich im unteren Drittel des Großraumwasser­ kessels befindet, seitlich durch die Rückwand 14 des Großwasserraumkessels als auch durch den hinteren Boden 17 begrenzt wird und zur Abgaskammer 8 durch eine Begrenzungswand 13 strömungs- und druckdicht abgeschottet ist.

Über Ankerbolzen 18 erfolgt die Verbindung des Flammrohres 2 mit dem hinteren Boden 17 und ist somit mit dem Druckkörper 1 des Großwasserraumkessels verbunden. Im vorderen Bereich des Großwasserraumkessels befindet sich die Umlenkkammer 4, über welche die Abgase aus dem Flammrohr 2 austreten, um dann durch die Rauchrohre 19 des Rauchrohr­ zuges 3 geführt zu werden.

Die vordere Front des Großwasserraumkessels wird durch den vorderen Boden 15 und durch die im vorderen Boden 15 eingelassene schwenkbare Tür 16 verschlossen, die zur rauchgasseitigen Reinigung dient und den Großwasserraumkessel gasdicht verschließt. Wie im hinteren Bereich des Großwasserraumkessels werden die Einbauten über Ankerbolzen 18 mit dem vorderen Boden 15 fest verbunden und sichern ihre Lage im Kessel.

Unmittelbar im bzw. am Brennerstutzen 5 wird der Brenner 12 angeschlossen, dessen Flamm­ kopf durch den Brennerstutzen 5 hindurch in das Flammrohr hineinragt.

Im unteren Teil des Druckkörpers 1 vom Großwasserraumkessel ist das Rauchgasrückführ­ rohr 6 vorgesehen, welches anfangsseitig mit der Rezirkulationswendekammer 10 und endsei­ tig mit der Einströmstelle 7 im Brennerstutzen 5 verbunden ist.

Die Anordnung der einzelnen Rauchrohre 19 im Verbund des Rauchrohrzuges 3 und in Zu­ ordnung zum Druckkörper 1 ergibt sich aus der Fig. 2.

Aus dieser Darstellung ist gleichfalls die Anordnung der Rezirkulationswendekammer 10 und deren Abgrenzung zur Abgaskammer 8 dargestellt.

Die Trennung von Abgaskammer 8 zur Rezirkulationswendekammer 10 erfolgt strömungs- und druckdicht über eine Begrenzungswand 13 und in dieser Rezirkulationswendekammer 10 ist das Rauchgasrückführrohr 6 vorgesehen, über welches ein Teil der Abgase zur Einström­ stelle 7 im Bereich des Brennerstutzens 5 geführt wird.

Die Anordnung der einzelnen Rauchrohre 19 ist so gewählt, daß ca. 5 bis 25% dieser Rauch­ rohre 19 in die Rezirkulationswendekammer 10 münden, deren Abgase nach einer Vermi­ schung in dieser Rezirkulationswendekammer 10 über das Rauchgasrückführrohr 6 abgeleitet werden.

Die unmittelbare Ausgestaltung der Rezirkulationswendekammer 10 als auch der Einmündung eines Teiles der Rauchrohre 19, den Rezirkulationsrauchrohren 11, ergibt sich gleichfalls aus der Darstellung der Fig. 2.

Gezeigt wird auch die unmittelbare Anordnung des Rauchgasrückführrohres 6, welches mit seiner Eintrittsöffnung in die Rezirkulationswendekammer 10 hineinragt.

Die in die Rezirkulationswendekammer 10 mündenden Rezirkulationsrauchrohre 11 sind in analoger Weise der Rauchrohre 19 ausgebildet, daß heißt, die Rezirkulationsrauchrohre 11 besitzen die gleichen Querschnittsformen der Rauchrohre 19 und können sowohl mit Strö­ mungseinbauten als auch ohne Strömungseinbauten ausgerüstet sein.

Sowohl aus der Fig. 1 als auch aus der Fig. 2 ergibt sich, daß das Rauchgasrückführrohr 6 innerhalb des Druckkörpers 1 von der Rezirkulationswendekammer 10 zur Einströmstelle 7 geführt wird. Es ist aber durchaus möglich, daß das Rauchgasrückführrohr 6 außerhalb des Druckkörpers 1 geführt wird, was, je nach Einsatzfall den Vorteil hat, daß das rückgeführte Rauchgas nicht weiter abgekühlt wird.

Die Ausbildung der Einströmstelle 7 im Bereich des Brennerstutzens 5 ist so ausgestaltet, daß die Einströmstelle 7 als Ringspalt ausgebildet ist oder aber das Rauchgasrückführrohr 6 in einen Düsenring mündet, welcher im Brennerstutzen 5 vorgesehen ist.

Weiterhin ist es möglich, das Rauchgasrückführrohr 6 in den Luftansaugstutzen des Brenner­ gebläses münden zu lassen, so daß unmittelbar die über das Rauchgasrückführrohr 6 zugeleite­ ten Abgase mit der Verbrennungsluft vermischt dem Brenner zugeführt werden. Denkbar ist auch, daß ein zusätzliches Gebläse in dem Rauchgasrückführrohr 6 angeordnet wird, welches sich positiv auf die Rauchgasrückführung auswirkt.

Zum funktionellen Ablauf:
Bei dem vorgeschlagenen Großwasserraumkessel handelt es sich um einen sogenannten zwei­ zügigen Flammrohr-Rauchrohrkessel, bei dem die Abgase, in der Fig. 1 mit den Pfeilrich­ tungen 20 bezeichnet, in Längsrichtung durch das Flammrohr 2 strömen. Nach dem Ausbrand im Flammrohr 2 strömt das Rauchgas entgegen der ursprünglichen Strömungsrichtung zurück in die vordere Umlenkkammer 4, wo es sich mengenmäßig entsprechend den strömungs­ technischen Bedingungen aufteilt. Ein Teil der Abgase durchströmt die Rauchrohre 19 des Rauchrohrzuges 3 und gelangt in die Abgaskammer 8 und wird von dort über den Abgas­ stutzen 9 aus der Abgaskammer abgeführt bzw. tritt aus dieser Abgaskammer aus. Ein anderer Teil der Abgase tritt in die Rezirkulationsrauchrohre 11 ein und gelangt in die Rezirkulationswendekammer 10, aus der diese Abgase über das Rauchgasrückführrohr 6 wieder zur Brennerstelle geführt, um dort erneut in das Flammrohr 2 zu gelangen.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Rezirkulationswendekammer 10 und der Ein­ mündung von Rezirkulationsrauchrohren 11 in dieser, ergibt sich eine rezirkulierende Rauch­ gasmenge, die in der Rezirkulationswendekammer 10 umgelenkt wird und über das Rauchgas­ rückführrohr 6, in welchem die rückgeführte Rauchgasmenge nochmals leicht abgekühlt, zur Einströmstelle 7 geleitet wird.

Die Auslegung der Rauchrohre 19 des Rauchrohrzuges 3, die der Rezirkulationsrauchrohre 11 als auch des Rauchgasrückführrohres 6 und die Druckbedingungen an der Einströmstelle 7 bedingen, daß sich das Rauchgas aufteilt und sowohl über die Rauchrohre 19 des Rauch­ rohrzuges 3 als auch über die Rezirkulationsrauchrohre 11 geleitet wird.

Das Strömungsverhalten der Rauchgase hinsichtlich des Ableitens über die Abgaskammer 8 zum Abgasstutzen 9 als auch insbesondere die Rückführung der Rauchgase über die Rezirku­ lationsrohre 11 und das Rauchgasrückführrohr 6 wird dadurch beeinflußt, daß in den Rauch­ rohren 19 und in den in den Rezirkulationsrauchrohren 11 wahlweise Turbulatoren oder Einbauten vorgesehen werden, die Einfluß auf den Durchfluß der Rauchgase in diesen Rohren nehmen.

Wie bereits oben ausgeführt, kann das Rauchgasrückführrohr 6 als ein einzelnes Rauch­ rohr ausgebildet sein, es kann aber auch aus mehreren Einzelrohren bestehen. Wesentlich ist, daß die Summe der Querschnittsflächen der Rezirkulationsrauchrohre 11 zur Summe der Durchtrittsöffnungen der Rauchrohre 19 in einem Bereich von ca. 5 bis 25% liegt.

Claims (7)

1. Großwasserraumkessel mit Abgasrückführung, der bevorzugterweise mit einer Umkehr­ brennkammer ausgerüstet ist, eine Umlenkkammer und eine Abgaskammer besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß am Druckkörper (1) eine Rezirkulationswendekammer (10), zur Abgaskammer (8) mittels einer Begrenzungswand (13) strömungs- und druckseitig getrennt, angeordnet ist, in die Rezirkulationsrauchrohre (11) münden und der ein Rauchgasrückführrohr (6) zugeordnet ist.

2. Großwasserraumkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rauchgasrückführrohr (6) zwischen der Rezirkulationswendekammer (10) und der Einströmstelle (7) angeordnet ist und das Rauchgasrückführrohr (6) im Bereich des Brennerstutzens (5) in einen Ringspalt oder in einen Düsenring mündet.

3. Großwasserraumkessel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rauchgasrückführrohr (6) in den Luftansaugstutzen des Brennergehäuses mündet.

4. Großwasserraumkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Rezirkulationsrauchrohren (11) Turbulatoren/Einbauten angeordnet sind.

5. Großwasserraumkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rezirkulationsrauchrohre (11) gegenüber den Rauchrohren (19) des Rauchrohr­ zuges (3) unterschiedliche Durchmesser aufweisen und die Summen der Durchtritts­ öffnungen der Rezirkulationsrauchrohre (11) zur Gesamtdurchtrittsöffnung der Rauch­ rohre (19) und der Rezirkulationsrauchrohre (11) im Bereich von ca. 5 bis 25% liegen.

6. Großwasserraumkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rauchgasrückführrohr (6) sowohl innerhalb des Druckkörpers (1) als auch außer­ halb des Druckkörpers (1) angeordnet ist.

7. Großwasserraumkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Rauchgasrückführrohr (6) zusätzlich ein Gebläse angeordnet ist und das Rauchgas­ rückführrohr (6) aus mehreren parallel verlaufenden Rohren ausgebildet sein kann.