DE2615552A1 - Flammrohr-rauchrohr-kesselanlage zur kombinierten erzeugung von waerme, dampf und zur thermischen verbrennung von abluft - Google Patents

Description

• Flammrohr-Rauchrohr-Kesselanlage zur kombinierten Erzeugung
• von Wärme, Dampf und zur thermischen Verbrennung von Abluft Die Erfindung betrifft die Konstruktion, feuerungsseitige und wärmetechnische Schaltung, einer Kesselanlage, in der Dampf, Wärme, Heißwasser oder sonstige wärmetragende Medien erzeugt oder erwärmt werden und gleichzeitig mit Geruchs-oder sonstigen umweltschädlichen Stoffen beladene Abluft durch eine thermische Nachverbrennungsanlage erhitzt und damit gereinigt werden.
• In vielen Betrieben mit industriellen Wärmeverbrauchern erfolgt die Dampf- oder Wärmeerzeugung in sogenannten Flammrohr Rauchrohrkesseln, die mit einem oder zwei Brennern ausgerüstet sind, wobei die Rauchgaswärme in nachgeschalteten Flamm-Rauchrohrzügen an das wärmeaufnehmende Medium, das sind Dampf 7 Heißwasser oder sonstige Wärmeträger, übertragen wird. Es gibt gleichfalls Betriebe, in denen stark mit übel riechenden und sonstigen die Umwelt beeinträchtigenden Stoffen beladene Luft anfällt, die als Verfahrensabluft bezeichnet wird, und die aufgrund bestehender gesetzlicher Vorschriften gereinigt werden muß, bevor sie in die Atmosphäre abgeleitet werden darf.
• Neben einer Behandlung in Waschprozessen hat sich hierhei die Erhitzung durch Verbrennung auf ein Temperaturniveau größer 700 - 800 OC als technisch geeignetste Lösung herausgestellt.
• Es sind eine Reihe spezieller sogenannter thermischer Slachverbrennungsanlagen (TNV) entwickelt und gebaut worden, die mit oder ohne rekuperativer bzw. regenerativer Verbrennungsluftvorwärmung zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades arbeiten. Dennoch ist der Wirkungsgrad dieser Anlagen durch aus technischen und wirtschaftlichen Gründen bestehende konstruktive Begrenzungen nicht besonders hoch. Es hat sich zudem gezeigt, daß diese Anlagen durch Hoch- und Tieftemperaturkorrosionen einem erheblichen Verschleiß unterworfen sind.
• Die Erfahrung zeigt somit, daß thermische Nachverbrennungsanlagen als Einzelaggregate sehr aufwendige Anlagesysteme zur Lösung der umwelttechnischen Probleme darstellen.
• Solange die zur Dampf/Wärmeerzeugung erforderliche Verbrennungsluftmenge mit der zu behandelnden Abluftmenge in entsprechender Größenordnung liegt, ist es möglich, die Abluft den Brennern der Kesselanlage als Verbrennungsluft zuzuführen, womit das Problem auf einfache und wirtschaftlich optimale Weise gelöst wird.
• Dies ist jedoch nur in seltenen Fällen möglich, da die Dampf/Wärmeerzeugung und damit auch die Verbrennungsluftmenge aus betrieblichen Gründen Schwankungen unterworfen ist und gut regelbar bleiben muß, während die zu behandelnde Abluftmenge erfahrungsgemäß ständig in gleicher Größenordnung anfällt, und auch dann noch anfallen kann, wenn die Wärme/Dampferzeugung abgestellt ist.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Kesselkonstruktion vorgeschlagen, in der a) die Dampf/Wärmeerzeugung über Brenner mit erhöhter Verbrennungsluftvorwärmung, die entsprechend der betrieblichen Anforderung leistungs- oder vordruckgeregelt betrieben werden, wobei als Verbrennungsluft die mit umweltschädlichen Stoffen beladene aber vorgewärmte Abluft dient, und bei denen die Rauchgaswärme in ein bzw. zwei Flammrohren und nachgeschalteten ein oder zwei Rauchrohrzügen an das wärmeaufnehmende Medium übertragen wird.
• b) die thermische Nachverbrennung in einem entsprechend der zu erhitzenden Abluftmenge konstruierten Brenner, Brennkammer, Verbrennungsofen oder Eleißgaserzeuger erfolgt, der entweder dem Kessel vor- oder, falls konstruktiv möglich, in eine gekühlte Kammer mit gasdichtgeschweißten Wänden, beispielsweise auch direkt in einen Teil des Flammrohrs, eingebaut wird.
• Die heißen Gase durchlaufen anschließend die Kesselanlage nur in einem Flammrohr- oder auch Rauchrohrzug und geben damit nur eine verhältnismäßig geringe Wärmemenge an das wärmetragende Medium des Kessels ab und treten mit hoher Temperatur aus dem Kessel aus.
• c) die Verbrennungsluft (Verfahrensabluft) für den Wärmebrenner und den TNV-Brenner wird in einem der Kesselanlage nachgeschalteten regenerativen oder rekuperativen Luftvorwärmer durch die "heißen" Rauchgase des TNV-Brenners hoch vorgewärmt. An konstruktiv geeigneter Stelle werden die aus dem dritten Rauchrohrzug der Resselanlage üblicherweise mit einer Temperatur von 200 - 240 OC austretenden kalten Rauchgase, den "heißen" Rauchgasen zugeleitet, mit diesen gemischt, wodurch sich eine mittlere Mischtemperatur einstellt und mit diesen gemeinsam durch den Luftvorwärmer geführt, so daß ihre Wärme soweit technisch möglich noch genutzt werden kann.
• Der Vorteil dieser Konstruktion liegt im wesentlichen darin, daß die Dampf/Wärmeerzeugung und die thermische Nachverbrennung zu einer Einheit zusammengefaßt werden, wobei sowohl die Investitionskosten gesenkt, als auch ein optimalen Wirkungsgrad sowohl bei - Betrieb als Dampfkessel ohne TNV - kombinierten Betrieb in allen Lastbereichen - reinen TNV-Betrieb erzielt wird, was zu einer wesentlichen Minderung der Betriebskosten führt.
• Die Konstruktion dieser Kesselanlage ist erfindungsgemäß gekennzetchnet durch eine Flammrohr-Rauchrohr-Resselanlage, in die zusätzlich eine thermische Nachverbrennungsanlage an- bzw. eingebaut wird. Die der Erfindung zugrundeliegenden Konstruktionsprinzipien sind im Folgenden anhand des Bildes 1 näher beschrieben: In den Druckkörper (1) des Flammrohr-Rauchrohrkessels sind das Flammrohr (2) für den Wärmebrenner (3) und das Flammrohr (4) für den TNV-Brenner (5) sowie die Rauchrohrzüge (6) eingebaut. In der hinteren und vorderen Umkehrkammer (7) werden nun die Rauchgase des Wärmebrenners um und durch die nachgeschalteten Rauchrohre geleitet. Die Rauchrohre können dabei in ein- oder mehrzügiger Anordnung vorgesehen werden. Die aus dem Flammrohr (4) des TIQV-Brenners (5) mit einer Temperatur von normalerweise 700 - 800 OC austretenden Rauchgase (8) - anstelle des Flammrohres können selbstverständlich auch Rauchrohre eingesetzt werden - werden am Ende des Kessels in einer besonders konstruierten Mischkammer (9) mit den abgekühlten kalten Rauchgasen (lo) aus dem Wärmezug, die mit etwa einer Temperatur von 200 - 240 OC dort austreten, zusammengeführt und gemischt. Die Mischkammer wird so konstruiert, daß der kalte und der heiße Rauchgasstrom - möglichst gleichmäßig auf ein einheitliches Temperaturniveau gebracht werden - daß die beiden Rauchgasströme so ineinander übergeführt werden, daß ein "aufeinanderprallen" verhindert wird, um Schwingungen zu vermeiden.
• In dieser Mischkammer stellt sich damit eine Mischtemperatur ein, die im normalen Betrieb (Kombinationsbetrieb) so niedrig liegt, daß die Heizflächen des nachgeschalteten Luvos (11) thermisch nicht hoch beansprucht werden, und die Gefahr von ochtemperaturkorrosionen dort wesentlich verringert werden.
• Die heißen Rauchgase aus dem TNV-Brenner heben durch die Mischung das Temperaturniveau jedoch auf einen Wert - bspw.
• 45o - 500 oC - an, so daß die Nachschaltung des Luvos wirtschaftlich sinnvoll wird, da danach eine Abkühlung der gesamten Rauchgasmenge auf etwa 150 - 180 OC erfolgen kann, wodurch eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades erzielt wird.
• Die Regelung der Gesamtanlage im Normalbetrieb erfolgt so, daß bei konstanter zu erhitzender Abluftmenge (Qges. = const.) der Wärmebrenner leistungsgeregelt wird, wobei er die Luftmenge (QLB) aufnimmt, die zur Erbringung der jeweils erforderlichen Feuerungsleistung benötigt wird. Die restliche Verfahrensabluftmenge (QLTSV = Qges QLB) wird dem TNV-Brenner zugeleitet.
• Dieser wird so geregelt, daß die Temperatur am Austritt der Brennkammer üblicherweise je nach Art und Zusammensetzung der zu reinigenden Verfahrensabluft im Bereich von 700 - 850 0C liegt, einer Temperatur, bei der erfahrungsgemäß alle belästigenden Bestandteile der Verfahrensabluft oxydiert und damit umweltunschädlich gemacht werden.
• Bei Fehlen der Wärmeabnahme wird die zu erhitzende Verfahrensabluft ausschließlich dem TNV-Brenner zugeführt. Bei diesem Betriebszustand treten die Rauchgase etwa mit einer Temperatur von 650 - 800 °C aus dem Flammrohr (Rauchrohren) aus. Es ist daher erforderlich, daß die Heizfläche des Luvos für diese hohe Temperatur ausgelegt wird, die hohe thermische Beanspruchung für die Heizfläche besteht jedoch nur während des Zeitraums, in der die Anlage allein zur thermischen Nachverbrennung eingesetzt ist.
• Falls erforderlich und wirtschaftlich sinnvoll kann man vor dem Luvo noch eine Heizfläche (12) legen, die mit Wasser, Dampf und sontigen Medien gekühlt wird.
• Die Wärmeangabe an das wärmeaufnehmende Medium ist, da die heißen Rauchgase nur einen Flammrohr- oder Rauchrohrzug durchströmen, relativ niedrig. Trotzdem wird auch bei diesem Betriebszustand eine kleine Wärme-(Dampf)Menge erzeugt. Zur wirtschaftlichen sinnvollen Verwertung wird diese dem Dampfluvo (13) zugeführt. Dieser Luvo hat die Aufgabe, die kalt angesaugte Verbrennungsluft (10 - 25 0C) zunächst auf etwa 80 - 120 OC zum Schutze der Wärmetauscherflächen des Luftvorwärmers gegen Niedertemperaturkorrosion vorzuwärmen.
• Der Saugzug (14) hat die Aufgabe einen Unterdruck am Kesselende - vorzüglich im Bereich der Mischkammer - einzustellen.
• Soll.te bei diesem Betriebszustand mehr Wärme als benötigt wird, erzeugt werden, so kann man diese einem weiteren Wärmeverbraucher (IIeizung) oder einem Speicher zuleiten.
• Von der Verfahrensabluftzeit her gesehen ergibt sich damit folgende Schaltung: Die Verfahrensabluft, die üblicherweise mit einer Temperatur t1 von lo - 25 OC anfällt, wird zunächst in einem Dampfluvo auf eine Temperatur t2 in der Größenordnung von etwa 80 - 120 OC aufgewärmt. Nun wird die Verbrennungsluft (Primärluft), die zur Kühlung der Brenner benötigt wird, abgezogen. Die restliche Verfahrensabluftmenge wird im Luvo, der als Regenerativ-Luftvorwärmer oder Rekuperativ-Luftvorwärmer ausgeführt sein kann, zugeleitet und durch die heißen Rauchgase auf Temperatur t3 vorgewärmt, die sich aus dem Warmeaustausch mit den aus der Kesselanlage austretenden Rauchgasen ergibt. Anschließend wird sie, wie vorbeschrieben, entweder dem TNV-Brenner oder dem Wärmebrenner oder heiden Brennern gemeinsam als Sekundärluft, je nach Brennerkonstruktion, gegebenenfalls auch als Tertiärluft zugeführt.
• Der Vorteil dieser Schaltung liegt darin, daß sich in allen Betriebszuständen eine wärmetechnisch und damit wirtschaftlich optimale Ausnutzung die Rauchgaswärme und eine die normalerweise thermisch hochbelastete TtXV-Anlage schonende Betriebsweise ergibt.
• Die Erfindung ermöglicht also durch die vorbeschriebene Konstruktion und Betriebsweise eine hohe Senkung der Investitions-, Betriebs- und Unterhaltungskosten.
• L e e r s e i t e

Claims (1)

1. Patentansprüche Hauptanspruch Flammrohr-Kesselanlage zur kombinierten Dampf-Wärmeerzeugung und thermischen Verbrennung zu reinigender Verfahrensabluft, dadurch gekennzeichnet, daß a) an einen Flammrohr-Rauchrohrkessel mit Wärmebrennern ein zusätzlicher Brenner für thermische Nachverbrennung verunreinigter Luft angebaut wird; b) die Rauchgase aus dem Wärmebrenner das Flammrohr und ein- oder mehrere Rauchrohrzüge, die Rauchgase aus dem TNV-Brenner dagegen nur einen Flammrohr- oder Rauchrohrzug durchströmen und daher heiß aus dem Kessel austreten; c) die Rauchgase ani Ende des Kessels gemeinsam oder getrennt einem Luftvorwärmer zugeleitet werden, wobei die kalten Rauchgase je nach Auslegung entweder mit den heißen Rauchgasen vor Eintritt in den Rauchgas-Luftvorwärmer gemischt werden oder auch die kalten Rauchgase dem Luftvorwärmer an einer ei Temperaturniveau entsprechenden Stelle zugeführt werden; d) die verunreinigte Verfahrensabluft als Verbrennungsluft dem Wärme- und/oder dem TNV-Brenner zugeführt wird.

   Unteransprüche: kesselanlage nach dem Ilauptanspruch dadurch gekennzeichnet, daß 1. die Regelung beider Brenner unabhängig voneinander erfolgt; 2. bei kombiniertem Betrieb die Regelung des Wärmebrenners leistungsabhängig, die Regelung des TNV-Brenners verbrennungs temperaturabhängig erfolgt; 3. sowohl Betrieb ohne TNV-Anlage mit reiner Wärmeerzeugung als auch reiner TNV-Betrieb ohne Wärmeerzeugung möglich ist; 4. die Rauchgase in einem Luvo ihre Wärme an die Verbrennungsluft übertragen und damit bei gleichzeitiger Vorwärmung der Abluft abgekühlt werden; 5. die Verfahrensabluft zunächst in einem Dampfluvo vorgewärmt wird, der im Normalbetrieb die Temperatur soweit anhebt, daß der Rauchgasluvo gegen Tieftemperaturkorrosion geschützt wird und bei reinem thermischen Nachverbrennungsbetrieb die im Kessel erzeugte Wärme genutzt werden kann, wobei zusätzlich ein Wärmespeicher vorgesehen werden kann; 6. die Primärluftmenge für die Brenner zwischen Dampfluvo und Rauchgasluvo oder an einer entsprechend dem Temperaturniveau günstigen Stelle aus dem Rauchgasluvo entnommen wird; 7. vor den Rauchgasluvo ein Wärmetauscher angeordnet werden kann, der als Speisewasser-Vorwärmer oder Überhitzer geschaltet ist.