DE29507527U1

DE29507527U1 - Feuerung zum Verbrennen von Abfällen

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Publication number: DE29507527U1
Application number: DE29507527U
Authority: DE
Original assignee: Deutsche Babcock Anlagen AG
Current assignee: Hitachi Zosen Inova Steinmueller GmbH
Priority date: 1995-05-05
Filing date: 1995-05-05
Publication date: 1995-07-13
Anticipated expiration: 2005-05-06

Description

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Feuerung zum Verbrennen von Abfällen

Die Erfindung betrifft eine Feuerung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. 5

In der DE-Z "Die Industriefeuerung", Vulkan-Verlag Dr. W. Classen, Essen 1986, Seiten 23 bis 32, werden in einem Artikel von D. O. Reimann unter der Überschrift "Verfahrenstechnik der Müllverbrennung" verschiedene Feuerraumgestaltungen dargestellt und diskutiert: Gleichstrom-, Gegenstrom- und Mittelstromfeuerung. Zwei verschiedene Gleichstromfeuerungen sind durch Zeichnungen schematisch dargestellt. Die Feuerraumdecke ist in beiden Fällen dachartig ausgebildet. Über der Ausbrandzone des Rostes und dem daran anschließenden Ausfallschacht geht der Feuerraum in den Rauchgaszug über. Dessen unterer Teil, die Nachbrennzone, ist bei der einen Gleichstromfeuerung als Schrägzug ausgebildet, wobei die ausfallseitige Dachfläche der Feuerraumdecke die untere Begrenzungswand bildet. An den Schrägzug schließt sich oben ein senkrechter Zug an. Der Rauchgasstrom wird bei dieser Anordnung insbesondere an der unteren Kante der ausfallseitigen Dachfläche stark umgelenkt. Bei der zweiten Gleichstromfeuerung ist der Rauchgaszug durchgehend senkrecht. Am Übergang zwischen Feuerraum und Rauchgaszug ist eine ebenfalls ausgeprägte, wenn auch etwas geringere Umlenkung zu erkennen.

Besonderes Augenmerk wird in dem Artikel auf den kalten Rauchgasteilstrom gerichtet, der vom vorderen, dem Beschickungsschacht benachbarten Rostbereich ausgeht. Aus Zeichnungen, in denen die verschiedenen Feuerungen einander gegenüber gestellt werden, ist deutlich zu erkennen, daß bei der Gleichstromfeuerung der kalte Teilstrom auf einem vergleichsweise langen Weg durch die heißeste Verbrennungszone hindurch geführt wird.

Bei der Abfallverbrennung in einer Rostfeuerung wird der über einen Beschickungsschacht zugeführte Abfall im vorderen Bereich des Rostes zunächst getrocknet und vorgewärmt. Dabei kommt es neben der Verdampfung des Wassers auch zu einem Ausgasen brenn-0 barer Inhaltsstoffe des Abfalls. Ferner laufen in dieser von tieferen Temperaturen bis etwa 500⁰C gekennzeichneten Zone auch pyrolytische Prozesse ab. Für einen insgesamt geringen Schadstoffgehalt der Abgase einer derartigen Rostfeuerung ist es daher von entscheidender Bedeutung, daß die gas- und partikelförmigen Stoffe, die im Trocknungs- und Zündbereich des Rostes in das Rauchgas übergehen, durch eine energiereiche turbulente 5 Vermischung mit den Abgasströmen hoher Temperatur aus dem eigentlichen Verbrennungsbereich des Rostes in innigen Kontakt gebracht werden. Bei ausreichendem Sauerstoffgehalt ist neben der Temperatur und der Turbulenz des Strömungsfeldes auch die Verweüzeit in Bereichen hoher Temperatur und hoher Turbulenz für den Grad der Zerstörung organischer Inhaltsstoffe von entscheidender Bedeutung.

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Durch die EP 0 579 987 Al ist ein Drehrohrofen bekannt, bei dem mindestens zwei Primärluftdüsen so zueinander und zum Brennstoffbett gerichtet sind, daß zwei gegenläufige Wirbel im Drehrohr erzeugt werden, deren Drehachsen im wesentlichen parallel zur Achse des Drehrohres verlaufen und die um diese Drehachsen so drehen, daß sie die thermikinduzierte Bewegung der Brenngase unterstützen. In einer Nachbrennkammer sind Zusatzbrenner oder Mischluftdüsen angeordnet und so ausgerichtet, daß die aus dem Drehrohr auslaufenden beiden gegenläufigen Wirbel verstärkt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Feuerung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu verbessern, daß jedes Teilvolumen des Rauchgases sich während einer vorgeschriebenen Verweilzeit auf einem ausreichend hohen Temperaturniveau befindet.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Zeichnung dient zur Erläuterung der Erfindung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen.

0 Figur 1 zeigt eine Gleichstromfeuerung im Längsschnitt Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch den Rauchgaskanal etwa in Höhe der Mündungsöffnung

Figur 3 verdeutlicht in perspektivischer Darstellung die Anordnung einer Düse Figur 4 zeigt eine andere Gleichstromfeuerung im Längsschnitt Figur 5 zeigt für die Feuerung gemäß Figur 4 einen Querschnitt durch den Rauchgaskanal etwa in Höhe der Mündungsöffnung.

Die in Figur 1 dargestellte Gleichstromfeuerung hat einen Feuerraum 1, einen Beschickungsschacht 2, einen Ausfallschacht 3 und einen Rost 4, der sich vom Beschickungs-0 schacht 2 zum Ausfallschacht 3 erstreckt. Er ist als Walzenrost ausgebildet und umfaßt insgesamt sechs Walzen 5, deren Achsen in einer schiefen, in Richtung auf den Ausfallschacht 3 geneigten Ebene parallel zu einander angeordnet sind. Der Feuerraum 1 ist oben durch eine dachförmige Feuerraumdecke 6 abgeschlossen. Die ausfallseitige Dachkannte 7 befindet sich über dem Endbereich des Rostes 4. Unter dem Rost 4 sind Einrichtungen 8 zum 5 Zuführen von Primärluft vorgesehen. Sekundärluftdüsen 9 durchdringen an mehreren Stellen die Feuerraumdecke 6. Sie sind in die Hauptbrennzone gerichtet, die sich in einem breiten Bereich in der Mitte des Rostes 4 befindet. Durch eine Mündungsöffnung 10 über dem Ausfallschacht 3 und dem benachbarten Endbereich des Rostes 4 steht der Feuerraum 1 mit einem Rauchgaskanal^ 11 in Verbindun§._#Der untere Teilabschnitt des Rauch-

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gaskanals 11 ist als Schrägzug 12 ausgebildet. Er ist in Richtung auf den Beschickungsschacht 2 rückwärts geneigt. Seine untere Begrenzungswand ist die ausfallseitige Dachfläche der Feuerraumdecke 6. An den Schrägzug 12 schließt sich oben ein senkrechter Zug 13 an. Insoweit entspricht die Feuerung dem Stand der Technik. 5

Etwa in der Höhe der Mündungsöffnung 10 sind in einer Querschnittsebene, die in Figur 1 durch eine unterbrochene Linie symbolisiert ist, an der Rückwand 14 zusätzliche Düsen 15.1 bis 15.6 angebracht. Sie sind in Figur 2 durch Impulsvektoren veranschaulicht. Die Richtung des Impulsvektors stimmt mit der Blasrichtung überein, die Länge ist ein Maß für die Größe des Impulses, mit dem der Sekundärluftstrom eingeblasen wird. Die Länge soll auch ein Maß für die Größe der Düse sein. Bei dem in den Figuren 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die Impulsvektoren gleich lang. Dadurch soll symbolisch dargestellt werden, daß alle Düsen 15.1 bis 15.6 gleich groß sind. Die Düsenanordnung ist spiegelsymmetrisch in bezug auf die senkrechte Mittelebene 16, die den Rauchgaskanal in zwei Kanalhälften unterteilt, denen in Figur 2 die beiden Querschnittshälften 10a und 10b entsprechen. Die Mittelebene 16 ist eine gedachte Ebene, nicht etwa eine materielle Trennwand.

Figur 2 zeigt die horizontalen Komponenten der einzelnen Impulsvektoren. In jeder der beiden Querschnittshälften 10a, 10b sind die horizontalen Impulskomponenten tangential zu mittig in die Querschnittshälften eingeschriebenen Kreisen 17.1 bis 17.6 ausgerichtet. Sie definieren daher in bezug auf deren Mittelpunkte Ma, Mb einen Drehsinn, symbolisiert durch Pfeile 18a, 18b. Wegen der spiegelsymmetrischen Düsenanordnung ist der Drehsinn in der Querschnittshälfte 10a dem Drehsinn in der Querschnittshälfte 10b entgegengesetzt.

Bei dem in Figur 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel haben die Kreise 17.1 bis 17.3 bzw. 17.4 bis 17.6, die den einzelnen Düsen zugeordnet sind, unterschiedliche Durchmesser. Es ist aber auch möglich, mehrere Düsen einer Querschnittshälfte zu einem einzigen Kreis tangential auszurichten. Die Durchmesser der Kreise 17.1 bis 17.6 liegen zwischen etwa 0,15b und 0,4b. Dabei ist b die Breite des Rauchgaskanals 11. Bei den Düsen 15.2 bis 0 15.5, deren Abstand von der Mittelebene 16 kleiner bzw. nicht viel größer als b/4 ist, weist die horizontale Komponente von der Mittelebene 16 weg. Bei der Düse 15.1, die in einem Abstand a, = 0,4b von der Mittelebene 16 sitzt, ist die zugehörige horizontale Komponente rechtwinklig zur Rückwand 14 ausgerichtet, d.h. parallel zur Seitenwand 19a. Entsprechendes gilt natürlich für die Düse 15.6. Bei der Düse 15.2, die im Abstand a^ = 0,25b von der Mittellinie angeordnet ist, schließt die horizontale Komponente mit der Rückwand 14 einen Winkel a₂ = 70° ein. Für die Düse 15.3 betragen die entsprechenden Daten H₃ = 0,08b und a₃ = 50°. Die Abstände können bis zu etwa ± 30%, die Winkel bis zu etwa ± 20% von den angegebenen Daten abweichen.

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Die Düsen 15.1 bis 15.6 sind gegen die Horizontale geneigt. Der Neigungswinkel 0₃ der Düse 15.3 ist gemäß Figur 3 der Winkel zwischen dem Impulsvektor und seiner Projektion in die horizontale Querschnittsebene der Mündungsöffnung 10. Die Neigungswinkel der übrigen Düsen, die der Übersichtlichkeit halber in Figur 3 nicht dargestellt sind, hat man sich entsprechend vorzustellen. Im allgemeinen liegt der Neigungswinkel £ für alle Düsen zwischen -20° und +50°. Dabei weist das negative Vorzeichen auf eine nach unten gerichtete Neigung hin. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 werden die Neigungswinkel für die einzelnen Düsen vorzugsweise wie folgt gewählt:

/J₁ = -10° ± 20°
ß₂ = +10° ± 20°

ß₃ = +20° ± 30°.

Im Betrieb wird der Abfall im üblicher Weise auf den Rost 4 aufgegeben, durch Rotation der Walzen 5 auf dem Rost 4 vorwärts bewegt und dabei verbrannt. Am Ende des Rostes fallen die Verbrennungsrückstände aus. Von unten wird dem Rost Primärluft zugeführt. Sekundärluft wird von oben in den Feuerraum 1 eingeblasen.

Im Feuerraum 1 stellt sich eine Rauchgasströmung ein, die in Figur 1 durch die Stromlinien 20,21,22 veranschaulicht ist. Der durch die Stromlinie 20 symbolisierte Teilstrom 0 steigt aus dem vorderen Bereich des Rostes 4 auf. Er enthält feste und gasförmige brennbare Bestandteile. Dieser Teilstrom wird in der für Gleichstromfeuerungen charakteristischen Weise durch die Hauptverbrennungszone geleitet. Dort werden die brennbaren Bestandteile bei hoher Temperatur durch gezielte Sekundärluftzufuhr schon weitgehend verbrannt. Der aus dem mittleren Bereich entweichende Teilstrom 21 hat eine sehr hohe Temperatur, der Teilstrom 22 aus dem Endbereich des Rostes 4 hat noch einen relativ hohen Sauerstoffgehalt. Der gesamte Rauchgasstrom wird an der Ausfallseite nach oben umgelenkt und gelangt durch die Mündungsöffnung 10 in Schrägzug 12. Dort sollen die noch mitgeführten brennbaren Bestandteile restlos ausgebrannt werden. Hierzu ist neben einer ausreichenden Sauerstoffversorgung eine intensive Durchmischung der Sträh-O nen erforderlich, die den Rauchgasstrom bilden.

Erfindungsgemäß werden im Bereich der Mündungsöffnung 10 symmetrisch zur Mittelebene 16 Sekundärluftstrahlen eingeblasen. Die Richtung der Sekundärluftstrahlen ist so gewählt, daß jeder Strahl einen Drehimpuls hat in bezug auf die Mittelachse der Kanalhälfte. Der Drehsinn stimmt für alle Strahlen, die in eine Kanalhälfte eingeblasen werden, überein. Wegen der Spiegelsymmetrie ergibt sich in der Querschmttshälfte 10a ein Drehsinn, der dem Drehsinn in der Querschmttshälfte 10b entgegengesetzt ist. Die Sekundärluft wird mit einer Geschwindigkeit von 70 bis 100 m/s in den Rauchgasstrom eingeblasen. Der

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Anteil der im Bereich der Mündungsöffnung 10 eingeblasenen Sekundärluft an der Gesamtsekundärluft liegt bei etwa 25 bis 35 %.

Durch die erfindungsgemäße Einblasung der Sekundärluft wird in dem Rauchgaskanal und insbesondere in dem Schrägzug 12, der die Nachbrennkammer bildet, eine zur Mittelebene 16 symmetrische Doppelwirbelkonfiguration erzeugt. Das aus dem Feuerraum 1 entweichende Rauchgas wird durch Anordnung und Ausrichtung der Düsen in Gestalt zweier gegensinnig rotierender Wirbel schräg nach oben in den Schrägzug 12 eingeleitet. Es hat sich gezeigt, daß der beim Stand der Technik beobachtete Ablösewirbel völlig unterdrückt oder allenfalls auf eine unschädliche kleine Ablöseblase unmittelbar an der Dachkante 7 reduziert wird. In der Doppelwirbelströmung kommt es zu einer weitgehenden Homogenisierung in bezug auf Temperatur und stoffliche Zusammensetzung. Dadurch wird der Ausbrand mitgeführter brennbarer Bestandteile erheblich verbessert und der Schadstoffgehalt der Abgase deutlich reduziert.

Figur 4 zeigt eine Feuerung, die gegenüber der bisher beschriebenen Feuerung im wesentlichen zwei Unterschiede aufweist: Der eine Unterschied besteht darin, daß der Rauchgaskanal 11 als durchgehend senkrechter Zug ausgebildet ist. Der zweite Unterschied besteht in der abweichenden Konfiguration der Düsen, die in Höhe der Mündungsöffnung 10 in 0 den Rauchgaskanal 11 gerichtet sind. Diese Anordnung ist in Figur 5 symbolisch dargestellt.

Gemäß Figur 5 sind die Düsen 24.1, 24.2 sowie 25.1 bis 25.5 nicht nur an der Rückwand angebracht, sondern auch an den Seitenwänden 19a, 19b und der Vorderwand 26 des Rauchgaskanals 11 über der Kante 7. Die Düsen 24.1,24.2 sind wesentlich größer als die Düsen 25.1 bis 25.5. Die Düsen 24.1,24.2 sind tangential zu einem inneren Kreis 27 ausgerichtet, die kleineren Düsen 25.1 bis 25.5 tangential zu einem größeren Kreis 28. Der in Figur 5 nicht sichtbare Neigungswinkel^ der Düsen 24.1,24.2 ist verschieden von dem Neigungswinkel ß₂₅ der Düsen 25.1 bis 25.5.

Durch die Düsen 24.1,24.2 wird Sekundärluft mit hohem Impuls, d.h. großer Eindringtiefe, eingeblasen. Durch die Düsen 25.1 bis 25.5 wird Sekundärluft mit deutlich niedrigerem Impuls eingeblasen. Vorzugsweise ist die durch die Düsen 24.1,24.2 eingebrachte Sekundärluftmenge größer als die durch die Düsen 25.1 bis 25.5 eingebrachte Sekundärluftmenge, mindestens jedoch gleich groß. Das Mengenverhältnis liegt zwischen 4:1 und 1:1. Es ist möglich, die Sekundärluft ganz oder teilweise durch rezirkuliertes Rauchgas zu ersetzen.

Bei der Düsenanordnung gemäß Figur 5 bildet sich in jeder Kanalhälfte ein innerer Wirbel, der insbesondere durch die Düsen 24.1,24.2 angefacht wird, und ein äußerer Wirbel,

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der durch die Düsen 25.1 bis 25.5 angefacht wird. Die Wirbel haben unterschiedliche Tangentialgeschwindigkeiten und wegen der unterschiedlichen Neigungswinkelß_u,ß₂₅ auch unterschiedliche Axialgeschwindigkeiten. Dadurch entsteht zwischen den beiden Wirbeln eine Scherschicht. Dies führt zur Ausbildung einer mittel- und feinskaligen Turbulenz, die zur Homogenisierung beiträgt und die Reaktionskinetik verbessert.

Claims

Unsere Akte: A 95/06 GM : :*··.,: :"·..·.,:—. 9505go02 Schutzansprüche

1. Feuerung zur Verbrennung von Abfällen in einem Feuerraum

mit einem Beschickungsschacht für den zu verbrennenden Abfall und einem Ausfallschacht für die Verbrennungsrückstände,

mit einem Rost, der sich vom Beschickungsschacht bis zum Ausfallschacht erstreckt und in Richtung auf den Ausfallschacht geneigt ist,
IO

mit einem über dem Rost befindlichen Feuerraum und einer Feuerraumdecke, die bis in die Nähe des Ausfallschachtes reicht,

mit Einrichtungen zum Zuführen von Primärluft durch den Rost, 15

mit Düsen zum Zuführen von Sekundärluft durch die Feuerraumdecke

und mit einem senkrechten oder rückwärts geneigten Rauchgaskanal, der durch eine über den Ausfallschacht und dem benachbarten Endbereich des Rostes befindliche

0 Mündungsöffnung mit dem Feuerraum in Verbindung steht,

dadurch gekennzeichnet,

daß in der Nähe der Mündungsöffnung (10) in den beiden durch die Mittelebene (16) des Rauchgaskanals (11) getrennten Kanalhälften mindestens je eine Düse (15.1 bis 15.6; 24.1, 24.2,25.1 bis 25.5) angeordnet ist,

daß der Impulsvektor der Düse eine horizontale Komponente hat, die tangential zu einem mittig in den Querschnitt (10a, 10b) der zugehörigen Kanalhälfte eingeschrie-

O benen Kreis (17.1 bis 17.6; 27,28) ausgerichtet ist und daher in bezug auf dessen Mittelpunkt (Ma, Mb) einen Drehsinn definiert,

daß allen Düsen einer Kanalhälfte der gleiche Drehsinn zugeordnet ist, (Pfeile 18a, 18b)
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und daß der Drehsinn in der einen Kanalhälfte dem Drehsinn in der anderen Kanalhälfte entgegengesetzt ist.

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2. Feuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenanordnung der einen Kanalhälfte in bezug auf die Mittelebene (16) spiegelsymmetrisch zur Düsenanordnung der anderen Kanalhälfte ist.

3. Feuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (15.1 bis 15.6; 24.1, 24 .2,25.1 bis 25.5) mit der Horizontalen einen Neigungswinkel &bgr; einschließen.

4. Feuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel £ &igr; &ogr; zwischen -20° und +50° liegt.

5. Feuerung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel &bgr; für alle Düsen (15.1 bis 15.6) gleich groß ist.

6. Feuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (15.1 bis 15.6) an der Rückwand (14) angebracht sind.

7. Feuerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (15.1 bis 15.6) in die Zwischenräume zwischen den Mittelpunkten (Ma, Mb) und der zugehörigen Außenwand (19a, 19b) zielen.

8. Feuerung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel &agr; für eine Düse, die näher bei der Mittelebene (16) angeordnet ist, kleiner ist als für eine weiter von der Mittelebene entfernte Düse.

9. Feuerung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den beiden Kanalhälften je drei Düsen (15.1 bis 15.3; 15.4 bis 15.6) angeordnet sind.

10. Feuerung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch folgende Bemessungsregel: 30

a,/b
a,/b
B₃/b = 0,40
= 0,25
= 0,08
90° ± 30%
± 30%
± 30%
± 20° a₂ 70° ± 15° 50° ± 10° = -10° ± 20° "Cb
ro 10° ± 20° 20° ± 30° .· ··· · · · · « * ·

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wobei b die Breite des Rauchgaskanals 11 ist.

11. Feuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Kanalhälfte mindestens eine größere (24.1,24.2) und eine kleinere Düse (25.1 bis 25.5) angeordnet ist.

12. Feuerung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Kanalhälfte mindestens drei Düsen angeordnet sind und daß zwischen zwei größeren Düsen (24.1, 24.2) mindestens eine kleinere Düse (25.1 bis 25.4) angeordnet ist.

13. Feuerung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die größeren Düsen (24.1, 24.2) tangential zu einem kleineren Kreis (27), die kleineren Düsen (25.1 bis 25.5) tangential zu einem größeren Kreis (28) ausgerichtet sind.

14. Feuerung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die größeren Düsen (24.1, 24.2) einen anderen Neigungswinkel £ haben als die kleineren Düsen (25.1 bis 25.5).