DE3031419A1

DE3031419A1 - Brennkammer zur wirbelschicht-verbrennung

Info

Publication number: DE3031419A1
Application number: DE19803031419
Authority: DE
Inventors: Vagn Dipl.-Ing. Koebenhavn Kollerup
Original assignee: Burmeister and Wain Energy AS
Current assignee: Burmeister and Wain Energy AS
Priority date: 1979-08-29
Filing date: 1980-08-20
Publication date: 1981-04-09
Also published as: DK144219B; DE3031419C2; DK361179A; DK144219C; US4312302A

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. R. DÖRING DIPL.-PHYS. DR. J. FRICKE

BRAUNSCHWEIG MÜNCHEN

UZ: 5555

BURMEISTER & WAIN ENERGI A/S Teknikerbyen 23, 2830 Virum Dänemark

Brennkammer zur Wirbelschicht-Verbrennung

1 3001 S/073 9

303Uf

BURMEISTER & WAIN ENERGI A/S, 2Ö3O Virum, Dänemark Brennkammer zur Wirbelschicht-Verbrennung

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer zur Wirbelschicht-Verbrennung und mit D us en öffnung en im Boden der Kammer zum Einblasen von Fluidisierungs- und Verbrennungsluft.

Wie bekannt, wird bei der Wirbelbett-Verbrennung im unteren Teil der Brennkammer eine Wirbelschicht aus einem inerten Material, wie beispielsweise Sand, Asche, Kalkstein oder Dolomit, aufrechterhalten, in der die Verbrennung erfolgt. Als einer der wesentlichen Vorteile dieser Technik sei die in bezug auf die in einer umgebenden Luftmasse direkt erfolgende Verbrennung niedrigere Verbrennungstemperatur angeführt, wodurch der Gehalt der Rauchgase an gewissen schädlichen Stoffen, wie z.B. Stickstoffoxyden, herabgesetzt wird. Bei Anwendung eines inerten Materials, das mit Schwefel chemisch reagiert, lässt sich stark schwefelhaltiger fester oder flussiger Brennstoff mit minimaler Emission von Schwefelverbindungen verbrennen, so dass kostspielige Anlagen zur Entschwefelung der Rauchgase eingespart werden können.

Es ist bekannt, die Luft, die ausser zur Unterhaltung der Verbrennung dazu dient, die Wirbelschicht im Schwebezustand zu halten, durch Dusenoffnungen einzublasen, die in einem aus keramischem Material hergestellten Boden in der Brennkammer ausgebildet sind. Ebenfalls ist bekannt, die Luft durch Düsen einzublasen, die von einem aus Stahl hergestellten Boden emporragen, so dass sich zwischen dem Kammerboden und der Ebene, in der die Dusenoffnungen liegen, eine stilliegende Schicht aus dem inerten Material bildet, wenn sich die Brennkammer in Betrieb befindet. Da in dieser Schicht keine Verbrennung erfolgt, wirkt sie als eine thermische Isolation des Kammerbodens, der somit während des

13001 S/0739

303UO • 5·

Betriebes auf einer Temperatur gehalten werden kann, die niedriger ist als die in der Wirbelschicht herrschende.

Bei beiden diesen bekannten Konstruktionen kann der Kammerboden jedoch unter gewissen Umständen, insbesondere nach einer Unterbrechung der Verbrennung, auf Grund zu starker Erhitzung durch das darüber liegende glühende Material beschädigt werden. Man hat auch festgestellt, dass die Temperaturverteilung auf die Fläche des Kammerbodens bei den bekannten Konstruktionen sehr ungleichmässig werden kann, was dazu führen kann, dass sich der Kammerboden infolge ungleichförmiger Wärmedehnung wirft.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, diese Mängel zu beheben, und die Erfindung besteht darin, dass die Düsenöffnungen in Blechelementen ausgebildet sind, welche auf die Oberseite einer Membranwand aufgeschweisst sind, die aus kühlmittelführenden Rohren besteht, welche im Abstand voneinander angebracht und unter den Blechelementen mechanisch miteinander verbunden sind mit Hilfe von zwischen benachbarten Rohren eingeschweissten Flossen, und dass Mittel zum Einleiten von Luft zwischen die Flossen und die Blechelemente sowie Mittel zum Zuführen von Kühlmittel zu den Rohren vorgesehen sind.

Die unter den Blechelementen liegende Membranwand ist auf Grund ihrer Konfiguration auch bei variierenden Temperaturen in sich formstabil, und das Hindurchströmen eines Kühlmittels durch die Rohre der Wand sichert eine gleichförmige, geeignet niedrige Temperatur der Wand. Die direkte, wärmeleitende Verbindung zwischen der Membranwand und den Blechelementen, in denen die Düsenöffnungen ausgebildet sind, sichert eine entsprechende Stabilität der Konfiguration der Blechelemente und beschützt diese Elemente gegen unzulässig hohe Temperaturen. Die Anordnung der Blechelemente auf der Oberseite der Membranwand ermöglicht eine gleichmässige und dichtsitzende Verteilung der Düsenöffnungen auf die gesamte Fläche des Kammerbodens. Ein wei-

1 3001 B/0739

terer wichtiger Vorteil der Erfindung ist, dass die Brennkammer als eine ganzgeschweisste und damit vollständig gasdichte Konstruktion ausgeführt werden kann, weil die gekühlte Membranwand in jedem Betriebszustand auf in allem wesentlichen der gleichen Temperatur wie die Seitenwände der Kammer gehalten und deshalb ohne Bedenken direkt mit diesen verschweisst werden kann, was sich bei den bekannten Konstruktionen, bei denen, wie bereits erwähnt, der Kammerboden in gewissen Situationen wesentlich heisser werden kann als die gekühlten Seitenwände, nicht machen lässt.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform bestehen die Blechelemente aus planen Streifen, die jeweils an zwei benachbarte Rohre der Membranwand angeschweisst sind. Dadurch wird eine maximal wärmeleitende Verbindung zwischen den Blechelementen und den Rohren erzielt.

Die Blechelemente sind bevorzugterweise dünner als die Flossen, so dass die Formstabilität der Membranwand im wesentlichen von den zwischen den Rohren eingeschweissten Flossen gesichert wird.

Die Flossen können auf an sich bekannte Weise derartig an die Rohre angeschweisst sein, dass sie sich in einer Ebene mit den Mittellinien der Rohre befinden, so dass der Querschnitt der Membranwand bezogen auf die durch die Mittellinien der Rohre verlaufende Ebene symmetrisch ist.

Die Mittel zum Einleiten von Luft zwischen die Flossen und die Blechelemente können von Öffnungen in den Flossen gebildet werden, wodurch maximale Gleichförmigkeit der Luftstrome durch die einzelnen Düsenoffnungen sichergestellt und ausserdem die Zufuhr der Fluidis ie rungs- und Verbrennungsluft durch eine unter der Membranwand angeordnete, zusammenhängende Windkammer ermöglicht wird, die aus ungekuhlten Blechen gebaut sein kann.

Das Erzielen der angestrebten Gleichförmigkeit der Luftstrome durch die Düsenöffnungen kann zusätzlich dadurch unterstützt werden, dass das Gesamtareal der Öffnungen in

130015/0739

30314*9 • I-

den Flossen grosser ist als das Gesamtareal der Düsenoffnungen. Der grösste Teil des Strömungswiderstand es, der der Fluidisierungsluft entgegengebracht wird, tritt dann in den Düsenöffnungen auf.

Die öffnungen in den Flossen können zweckdienlich als längliche, parallel mit den Rohren der Membranwand verlaufende Schlitze ausgebildet sein.

Wenn die Seitenwände der Brennkammer als Rohrwände ausgebildet sind, können die Rohre der Membranwand mit den Rohren der Seitwände in Stromungsverbindung stehen. Dadurch wird ermöglicht, den Boden und die Seitenwände der Brennkammer auf praktisch genau derselben Temperatur zu halten und somit thermische Spannungen in den Verbindungen zwischen diesen Wänden auf ein Mindestmass zu reduzieren.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erklärt. Es zeigt

Fig. 1 stark schematisch einen lotrechten Schnitt durch einen Kessel mit einer erfindungsgemässen Brennkammer,

Fig. 2 in grossem Massstab den mit II in Fig. 1 gekennzeichneten Bereich des Bodens und einer sich anschliessenden Seitenwand der Brennkammer, entsprechend dem Schnitt H-II in Fig. 3, und

Fig. 3 im selben Massstab einen Schnitt entlang der Linie IH-III in Fig. 2.

Der in Fig. 1 sehr vereinfacht dargestellte Kessel hat eine Brennkammer 1, die durch vier lotrechte Seitenwände 2, einen perforierten Boden 3, der im folgenden eingehender beschrieben wird, sowie eine Decke 4 mit einem Abzug 5 fur Rauchgase abgegrenzt wird. Eine Windkammer 6 mit einem Lufteintritt 7 erstreckt sich unter dem perforierten Kammerboden 3 ·

Wie bereits erläutert, erfolgt die Verbrennung in einer Wirbelschicht aus einem geeigneten partikelformigen Material, das von unten her in fluidisiertem Zustand gehalten wird durch Einblasen von Luft, die durch den Eintritt 7

130015/0739

303U19

■i

zugeführt wird und durch die Kammer 6 und die öffnungen im Kammerboden 3 hindurch nach oben strömt. In Fig. 1 ist die Wirbelschicht lediglich durch ihre unregelmässige - und sich während des Betriebes ständig ändernde - Oberfläche Ö angedeutet.

Die Zufuhr von Brennstoff zur Brennkammer 1 kann auf jede beliebige geeignete Weise erfolgen, und zwar direkt in die Wirbelschicht hinein oder von oben her in die Schicht hinab. Es können auch herkömmliche, nicht eingezeichnete Mittel zum stetigen oder intermittierenden Zuführen frischen Materials zur Wirbelschicht oder Abziehen verbrauchten Materials zusammen mit der bei der Verbrennung von festem Brennstoff gebildeten Asche vorgesehen sein. Zur Steuerung der Verbrennungstemperatur können in denjenigen Teil der Brennkammer, die von der Wirbelschicht eingenommen wird, eine oder mehrere Rohrschlangen eingebaut sein, die von einem regelbaren Mengenstrom von V/asser durchflossen werden.

Die Konstruktion des perforierten Kammerbodens 3 und dessen Verbindung mit den Seitenwänden 2 der Brennkammer ist aus den Fig. 2 und 3 näher ersichtlich. Der Kammerboden 3 besteht aus parallelen Rohren 9, die untereinander mit Hilfe von Flossen 10 verbunden sind, welche jeweils zwischen zwei benachbarten Rohren 9 in der Ebene eingeschweisst sind, in der die Mittellinien der Rohre verlaufen. Zwischen den Oberseiten jedes Paares von benachbarten Rohren 9 ist ein planer Blechstreifen 11 eingeschweisst, und die Blechstreifen 11 sind mit Düsenöffnungen 12 perforiert, die gleichmässig auf die Länge jedes Streifens verteilt sind, und zwar im gezeigten Ausführungsbeispiel in drei parallelen Reihen. In jeder Flosse 10 sind entsprechende, gleichroässig verteilte Offnungen 13 vorgesehen, die im vorliegenden Beispiel als längliche Schlitze ausgebildet sind. Wenn durch den Eintritt 7 Luft in die Kammer 6 unter dem Kammerboden 3 eingeleitet wird, strömt die Luft durch die Schlitze 13 nach oben und weiter durch die Offnungen 12 und tritt von

130015/0739

3031 4-/

unten her in die darüberliegende Schicht aus inertem Material ein, die durch Wahl einer geeigneten Stromungsgeschwindigkeit in fluidisiertes Zustand versetzt wird, so dass die Verbrennung in der Materialschicht erfolgen kann.

Längs der mit der Längsrichtung der Rohre 9 parallel verlaufenden Seitenränder des Kaminerbodens 3 sind dessen Flossen 10 und Blechstreifen 11 mit einem in Längsrichtung verlaufenden Rohr 14 verschweisst, welches zusammen mit entsprechenden, nicht eingezeichneten, querverlaufenden Rohren an den beiden anderen Seitenrändern des Kammerbodens einen Bodenrahmen im Kessel bildet. Jedes dieser Rohre steht in Strömungsverbindung mit angeschweissten lotrechten Rohren 15, welche Teile der Seitenwände 2 des Kessels bilden und mit Hilfe von angeschweissten lotrechten Flossen miteinander zu einer dichten Membranwand verbunden sind. Die ungekühlten Wände der Windkammer 6, von denen in den Fig. 2 und 3 eine gezeigt und mit 17 bezeichnet ist, sind an die Unterseiten der Rohre 14 angeschweisst. Die Rohre 9 im Kammerboden 3 stehen auf nicht näher dargestellte Weise in Stromungsverbindung mit den Rohren 14 und damit auch mit den lotrechten Rohren 15 der Seitenwände des Kessels, so dass sie während des Betriebes von einem geeigneten Kühlmittel, üblicherweise Wasser, durchflossen werden. Den Umständen entsprechend können die Strömungsverbindungen derartig ausgebildet sein, dass die Rohre 9 vom Speisewasser des Kessels durchflossen werden, bevor dieses in die Rohre 14 gelangt und von dort aus weiter in die lotrechten Rohre 15 strömt, doch können die Rohre 9 und 15 alternativ auch in strömungstechnischer Hinsicht paral-IeI geschaltet sein. Wenn der Kessel zur Dampferzeugung eingerichtet und mit einem Oberbehälter zur Trennung von Wasser und Dampf ausgerüstet ist, kann das durch die Rohre 9 strömende Kühlmittel auch aus dem Oberbehälter entnommener Dampf sein. Für den Fall, dass der Kessel ausschliesslieh heisse Rauchgase erzeugt, z.B. für eine Trocknungsan-

130015/0739

lage, kann das in den Rohren erhitzte Kühlmittel zum Vorwärmen der Verbrennungsluft ausgenutzt werden.

Wie bereits erwähnt, ist es zweckmässig, dass das Gesamtareal der Schlitze 13 grosser ist als das Gesamtareal der Düsenoffnungen 12. Es ist ausserdem vorteilhaft, dass die kleinste Dimension der Schlitze 13, d.h. deren Breite, grosser ist als der Durchmesser der bevorzugterweise kreisförmigen Düsenöffnungen 12, so dass Material aus der Wirbelschicht, welches gegebenenfalls durch die Offnungen 12 hindurchfällt, z.B. bei einer Unterbrechung des Verbrennungsvorgangs, dann ungehindert durch die Schlitze 13 hindurch nach unten fortsetzt, ohne die Zwischenräume zwischen den Flossen und den Blechstreifen 11 zu verstopfen. Die Abmessungen der öffnungen 12 sind jedoch normalerweise so relativ klein, z.B. zwischen 3 und 6 mm, dass selbst relativ feinkörniges Material in der Wirbelschicht keine wesentliehe Neigung aufweist, durch die Offnungen hindurchzufallen, sondern statt dessen bei Unterbrechung des Luftstromes eine Brücke über diese bildet.

130018/0739

Claims

BURMEISTER & WAIN ENERGI A/S, 2Ö3O Virum, Dänemark Brennkammer zur Wirbelschicht-Verbrennung Patentansprüche

1. Brennkammer zur Wirbelschicht-Verbrennung und mit Düsenöffnungen (12) im Beden der Kammer (1) zum Einblasen von Fluidisierungs- und Verbrennungsluft, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnungen (12) in Blechelementen (11) ausgebildet sind, welche auf die Oberseite einer Membranwand aufgeschweisst sind, die aus kühlmittelführenden Rohren (9) besteht, welche im Abstand voneinander angebracht und unter den Blechelementen (11) mechanisch miteinander verbunden sind mit Hilfe von zwischen benachbarten Rohren eingeschweissten Flossen (10), und dass Mittel zum Einleiten von Luft zwischen die Flossen und die Blechelemente sowie Mittel zum Zufuhren von Kühlmittel zu den Rohren (9) vorgesehen sind.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechelemente (11) aus planen Streifen bestehen, die jeweils an zwei benachbarte Rohre (9) der Membranwand angeschweisst sind.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechelemente (11) dunner als die Flossen

(10) sind.

4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet , dass die Flossen (10) derartig an die Rohre (9) angeschweisst sind, dass sie sich in einer Ebene mit den Mittellinien der Rohre befinden.

5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einleiten von Luft zwischen die Flossen (10) und die Blechelemente (11) von öffnungen (13) in den Flossen gebildet werden.

130015/0739

ORIGINAL WSPECTED

6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtareal der öffnungen (13) in den Flossen (10) grosser ist als das Gesamtareal der Düsenoffnungen (12).

7. Brennkammer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die öffnungen (13) in den Flossen (10) aus länglichen, parallel mit den Rohren (9) verlaufenden Schlitzen bestehen.

Ö. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1-7 und mit Rohrwänden als Seitenwände (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (9) der Membranwand mit den Rohren (15) der Seitenwand in Strömungsverbindung stehen.

130015/0739