DE19654732C2 - Großwasserraumkessel mit Abgasrückführung - Google Patents
Großwasserraumkessel mit AbgasrückführungInfo
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- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
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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 Feu
erraum zurückgeführt wird.
Durch die Rückführung von Rauchgas in die Flamme wird bekannterweise die NOx-Bil
dung vermindert und bekannte Kessel mit Umkehrbrennkammern haben trotz rückkehren
der 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 zu
rückkehrendem Rauchgas in das erste Flammendrittel zulassen.
So ist aus der EP 0348 646 A1 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 Ein
schieben eines hitzebeständigen Leitschirmes in das Kesselflammrohr und mit einer geo
metrischen festen Zuordnung des Leitschirmes zu der Kesseltür und den Treibdüsen ver
bunden.
Die DE 37 38 622 C1 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 Treibdü
sen mit einem besonderen Strahlimpuls von außen in das erste Drittel der indem Feuer
raum erzeugter 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 beschrie
ben, bei dem der Feuerraum durch eine Kesseltür verschließbar ist, in der ein oder mehrere
Brenner angeordnet sind, welche eine Rezirkulationsleitung besitzen, die an dem Rauch
gassammler angeschlossen sind und über ein Gebläse mit einem in der Kesseltür angeord
neten Verteilerkanal verbunden sind.
Ferner sei auf die DE 35 33 272 A1 verwiesen, mit der eine Anordnung von Abgaskanä
len oder Rohren zur Rückführung von Abgasen in Feuerungen bekannt wurde, die sich
darauf bezieht, daß auf dem Wege der Rückführung von Abgasen Wärme entzogen wird
und das diese Rückführung auf kurzem Wege erfolgen soll.
Bei den bekannten Verfahren und auch Vorrichtungen bedarf es zur Überwindung der
Druckdifferenz zwischen Einströmstelle, der Flamme oder des Brenners, und der Abgas
kammer des Einsatzes eines separaten Gebläses, oder es wird die Saugwirkung des Bren
nergebläses ausgenutzt oder es wird an der Einströmstelle lokal ein hinreichend niedriger
Druck erzeugt.
Die Überwindung der Druckdifferenz zwischen Abgaskammer und Einströmstelle erfor
dert 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 Rückführ
leitung führt und im Extremfall auch den Brenner und das Gebläse negativ beeinflußt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Großwasserraumkessel mit Ab
gasrückführung zu entwickeln, mit dem bei der Verbrennung die NOx-Bildung reduziert
wird, die Nachteile der bekannten Lösungen beseitigt werden, die rückgeführten Rauchga
se mit einer solchen Temperatur zur Einströmstelle geführt werden, die die Korrosions
neigung 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 Rauchgasrückfuhr
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 Rauchgasrückfuhrrohr 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.
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 (4)
1. Großwasserraumkessel mit Abgasführung, der bevorzugterweise mit einer inneren
Umkehrbrennkammer ausgerüstet ist, eine Umlenkkammer und eine Abgaskammer
besitzt, von der Teilströme von Rauchgasen über Rückführrohre zur Feuerung geführt
werden, dadurch gekennzeichnet, daß
in der am Druckkörper (1) vorgesehenen Abgaskammer (8) eine Rezirkulations- Wendekammer (10) angeordnet ist, die zur Abgaskammer (8) durch eine in der Abgaskammer (8) eingebundene Begrenzungswand (13) strömungs- und druck dicht ausgebildet ist.
in der am Druckkörper (1) vorgesehenen Abgaskammer (8) eine Rezirkulations- Wendekammer (10) angeordnet ist, die zur Abgaskammer (8) durch eine in der Abgaskammer (8) eingebundene Begrenzungswand (13) strömungs- und druck dicht ausgebildet ist.
2. Großwasserraumkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die in die Rezirkulations-Wendekammer (10) einmündenden Rauchrohre (19) als Rezirkulationsrohre (11) ausgebildet sind, wobei die Summen der Durch trittsöffnungen der Rezirkulations-Rauchrohre (11) zur Gesamtdurchtritts öffnung der Rauchrohre (19) im Bereich von 5 bis 25% liegen.
die in die Rezirkulations-Wendekammer (10) einmündenden Rauchrohre (19) als Rezirkulationsrohre (11) ausgebildet sind, wobei die Summen der Durch trittsöffnungen der Rezirkulations-Rauchrohre (11) zur Gesamtdurchtritts öffnung der Rauchrohre (19) im Bereich von 5 bis 25% liegen.
3. Großwasserraumkessel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die über das Rauchgas-Rückführungsrohr (6) geführten Rauchgase in einen im Brennerstutzen (5) vorgesehenen Düsenring oder -ringspalt münden.
die über das Rauchgas-Rückführungsrohr (6) geführten Rauchgase in einen im Brennerstutzen (5) vorgesehenen Düsenring oder -ringspalt münden.
4. Großwasserraumkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß
in den Rezirkulations-Rauchrohren (11) Turbulatoren angeordnet sind oder alternativ die Durchmesser der Rezirkulations-Rauchrohre (11) gegenüber den Rauchrohren (19) unterschiedlich ausgeführt sind.
in den Rezirkulations-Rauchrohren (11) Turbulatoren angeordnet sind oder alternativ die Durchmesser der Rezirkulations-Rauchrohre (11) gegenüber den Rauchrohren (19) unterschiedlich ausgeführt sind.
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DE1996154732 DE19654732C2 (de) | 1996-12-30 | 1996-12-30 | Großwasserraumkessel mit Abgasrückführung |
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Publications (2)
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DE19654732A1 DE19654732A1 (de) | 1998-07-02 |
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ID=7816411
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DE1996154732 Expired - Fee Related DE19654732C2 (de) | 1996-12-30 | 1996-12-30 | Großwasserraumkessel mit Abgasrückführung |
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1996
- 1996-12-30 DE DE1996154732 patent/DE19654732C2/de not_active Expired - Fee Related
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DE19654732A1 (de) | 1998-07-02 |
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